Механические эффекты. Датчики

2

Федеральное государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт Инженерной Физики и Радиоэлектроники

Кафедра «Приборостроение»

Курсовая работа

По теме «Механические эффекты. Датчики»

Выполнил студент

Группы РФ09-02

Мельник Андрей

Проверил преподаватель:

Алексеева Н.А.

Красноярск, 2009

Содержание

Введение

1. Пьезодатчики

1.1 Природа пьезоэффекта

1.2 Пьезоэлектронные датчики

1.3 Классификация пьезорезонансных датчиков

2. Тензодатчики

2.2 Усиление и формирование сигнала с помощью тензодатчиков

2.3 Ручная подстройка тензомоста

Заключение

Список литературы

Введение

В данной курсовой работе рассматриваются датчики измерения механических эффектов: таких как сила, давление, масса и т.д.

В первой главе пьезодатчики дано сравнительное описание пьезодатчиков и области их применения, а также кратко рассматривается сама природа пьезоэффекта, и таких единиц как пьезоэлементы. Приведена общая классификация по признакам отвечающим сферам их использования, по применяемому материалу, по виду достигаемых физических эффектов. Также пьезодатчики разделены на общие группы по классификациям использованных в них пьезоэлементов. Конечно, основной областью применения таких датчиков является производственная, приборостроительная и др.

Вторая глава тензодатчики включает в себя примеры использования тензодатчиков в целях преобразования поступающих сигналов. Выполнения ими определённых манипуляций. Рассмотрены примеры преобразования сигналов с использованием зарубежных схем датчиков. Представлены виды тензодатчиков в зависимости от предлагаемой конструкции и места, где данный датчик будет использоваться. А также последовательно рассмотрены типы регулировок выходящих сигналов.

Основной целью данной работы является рассмотрение датчиков механических эффектов, с помощью последовательного их описания, указания характеристик и схем их использования.

1. Пьезодатчики

В современной технике стабилизации частоты ведущее место занимают пьезоэлектрические приборы. По совокупности важнейших показателей - диапазону рабочих частот, добротности, временной и температурной стабильности, воспроизводимости параметров, габаритам, массе, а также стоимости - пьезоэлектрические резонаторы далеко обогнали другие типы электромеханических резонансных преобразователей.

Современное производство пьезоэлектрических резонаторов характеризуется высоким уровнем технологии и базируется на использовании групповых методов изготовления изделий, характерных для микроэлектроники. Производство пьезоприборов постоянно растёт, и в настоящее время объём выпуска этих изделий достигает сотен миллионов штук в год.

Сегодня группа пьезорезонансных датчиков, по многообразию решаемых задач одна из наиболее обширных, включает большое число средств измерения механических параметров ( усилий, давлений, ускорений, массы угловых скоростей, моментов, деформаций и т. п.), тепловых приборов (термодатчиков, датчиков расхода, вакуума, измерителей электрических параметров, датчиков тепловых потоков), устройств для контроля составов, концентраций газов, влажности, микромасс. Пьезорезонансные методы широко используются в экспериментальных исследованиях. В первую очередь это относится к измерениям механических величин , температуры, микровзвешиванию.

Техника пьезорезонансных датчиков постоянно совершенствуется. В последние годы созданы новые разновидности чувствительных элементов, использующих пьезообразователи на поверхностных акустических волнах , составные и камертонные пьезорезонаторы объёмного типа.

Пьезоэлектрический резонатор - разновидность преобразователей электромеханического типа. Основа пьезорезонатора - механический вибратор из кристаллического или поликристаллического пьезоэлектрического материала, выполняемый обычно в виде элемента правильной формы (прямоугольной пластины, диска, стержня и т.п.).

На вибратор (пьезоэлемент) наносится система из двух или более электродов, используемых для возбуждения в нём механических колебаний.

Для соединения с источником электрической энергии пьезоэлектрический резонатор снабжается токоподводами, а для фиксации в присоединённой конструкции - элементами крепления. В основе работы пьезоэлектрического резонатора лежит пьезоэффект, обеспечивающий преобразование входного электрического напряжения, подводимого к электродам, в механическое напряжение в теле вибратора (обратный пьезоэффект), и ответную реакцию по выходу в виде зарядов на электродах, возникающих в результате деформаций вибратора под действием механических напряжений.(прямой пьезоэффект). Обратимость пьезоэлектрических преобразователей позволяет выполнять элемент в виде двухполюсника, объединяющего системы электрического возбуждения механических колебаний и съёма электрического сигнала, пропорционального их амплитуде.

1.1 Природа пьезоэффекта

Физическую природу пьезоэффекта лучше всего рассмотреть на примере наиболее известного пьезоэлектрического кристалла - кварца. Ячейка в целом электрически нейтральна, однако в ней можно выделить три направления, проходящие через центр и соединяющие два разнополярных иона. Эти полярные направления называются электрическими осями или осями X, и по ним направлены векторы поляризации P1, Р2 и Р3.

Если к кристаллу кварца вдоль оси Х приложена сила Fx, равномерно распределенная по грани, то в результате деформации элементарной ячейки ее электрическая нейтральность нарушается. При этом в деформированном состоянии ячейки сумма проекций векторов Р2 и Р3 на ось Х становится меньше (при сжатии) или больше (при растяжении) вектора P1. В результате появляется равнодействующая вектора поляризации, ей соответствуют поляризационные заряды на гранях. Нетрудно видеть, что деформация ячейки не влияет на электрическое состояние вдоль оси Y. Здесь сумма проекций векторов равна нулю, так как P2Y = P3Y. При механических напряжениях, приложенных вдоль одной из осей Y (их называют механическими осями), геометрическая сумма проекций векторов Р2 и Р3 на ось Y равна нулю, и на гранях пьезоэлемента, перпендикулярных оси Y, заряды не образуются. Однако сумма проекций векторов Р2 и Р3 на ось X оказывается не равной вектору P1. Так, при сжатии пьезоэлемента, указанная сумма превышает Р1; в результате на нижней грани образуются положительные заряды, а на верхней -отрицательные.

При нагружении по оси Z, перпендикулярной осям X и Y и называемой оптической осью кристалла, кристалл кварца также остается электрически нейтральным. При механическом напряжении сдвига, деформирующем ячейку геометрическая сумма проекций векторов Р2 и Р3 на ось X равна вектору P1, направленному по оси X, и на гранях, перпендикулярных оси X, заряд не возникает. Однако проекции векторов Р2 и Р3 на ось Y не равны, и на гранях, перпендикулярных оси Y, и тогда возникает заряд.

Рассмотрение физической природы пьезоэффекта показывает, что при напряженном состоянии кварца заряды принципиально могут возникать между тремя парами граней.

1.2 Пьезоэлектрические датчики

Универсальность пьезорезонатора как преобразователя физических величин определяется возможностью варьировать в широких пределах его свойства и избирательность реакций на воздействия различной физической природы. Большие ресурсы для управления свойствами преобразователя заложены в анизотропии пьезоэлектриков и многообразии типов колебаний вибратора. Использование указанных факторов и создаёт предпосылки к применению пьезорезонансных датчиков для решения широкого круга задач.

Как колебательная система пьезорезонатор может быть представлен в виде структуры, состоящей из четырёх основных элементов: вибратора, плёночных покрытий на его поверхностях (к ним относятся и электроды возбуждения), элементов крепления вибратора и, наконец, окружающей среды.

В процессе колебания между элементами структуры происходит взаимодействие (обмен энергией), определяющее особенности поведения пьезорезонатора как электрического элемента и вид его электрической амплитудно-частотной характеристики. Измеряемое воздействие модулирует характеристические параметры элементов структуры пьезорезонатора и взаимодействие между этими элементами. В результате изменяется амплитудно-частотная характеристика пьезорезонатора. В модуляции амплитудно-частотной характеристики пьезорезонатора и заключается суть работы пьезорезонансных датчиков.

Одним из примеров пьезодатчиков может служить пьезодатчик ориентированный в системах сигнализации в качестве высокочувствительного датчика шума или вибрации.

Датчик собран на микросхеме К1056УП1 обычно используемой в дистанционных системах управления. Она состоит из усилителя на вход которого подключен пьезодатчик В1.(Возможно использовать пьезоизлучатель от наручных часов) С выхода усилителя вывод13 сигнал через разделительный конденсатор С2 поступает на регулятор чувствительности R2 с которого поступает на вход второго усилителя вывод 14 затем сигнал фильтруется и подается на выход 7 и 10. На выходе 10 сигнал имеет положительную амплитуду, а на выводе 7 инверсный. К данным выводам подключается логика управления сигнализацией. Вместо К1056УП1 можно использовать микросхему TBA2800, так как у нее 14 ног выводы 8,9 отсекаются, а выводы 10-16 перенумеровываются в 8-14.

Пример схемы пьезодатчика на схеме 1056УП1.

1.3 Классификация пьезорезонансных датчиков

Пьезорезонансные датчики, так же как и датчики других типов, могут быть классифицированы по природе измеряемого датчиком воздействия (механическое, тепловое, электромагнитное и т.д.). Этот традиционный метод классификации в принципе пригоден, однако в рассматриваемом случае малополезен, так как мало что сообщает о физической стороне процессов, на основе которых реализуется преобразование измеряемого параметра.

Одна из главных целей любой классификации - выделение общего, присущего ряду объектов или явлений. С этой точки зрения классификация пьезорезонансных датчиков ставит одной из главных целей то общее, характерное, что присуще отдельным разновидностям измерительных преобразователей, относящихся к группе пьезорезонансных датчиков. С этих позиций более полезной по мнению автора, является классификация по типу основного эффекта (механизма), ответственного за преобразование, т.е. модуляцию параметров пьезорезонатора. Такая классификация позволяет вести с единых позиций анализ измерительных приборов, используемых при измерениях величин, различных по своей природе, но работающих на одном и том же физическом механизме преобразования. В конечном счёте это упрощает оценки метрологических характеристик и конструирование приборов.

Классификация пьезодатчиков проводиться по следующим признакам:

1. По применяемому материалу:

- монокристаллические (кварц, ниобат лития и др.);

- поликристаллические (пьезокерамики).

2. По виду колебаний:

- по линейному размеру;

- радиальные;

- изгибные;

- крутильные;

- сдвиговые;

- на поверхностных акустических волнах;

- комбинированные.

3. По виду физических эффектов:

- термочувствительные;

- тензочувствительные;

- акусточувствительные;

- гирочувствительные;

- контактные (использующие контактную жесткость и

фактическую площадь контакта) и т.п.;

- доменно-диссипативные и др.

4. По количеству пьезоэлементов:

- моноэлементные;

- биморфные (симметричные, асимметричные);

- триморфные и т. д.

5. По назначению:

- для измерения статических и динамических давлений и

усилий;

- для измерения линейных ускорений и угловых скоростей;

- для измерения параметров вибраций;

- для измерения параметров удара;

- для измерения звукового давления;

- для измерения влажности;

- для измерения вязкости;

- для гидроакустики;

- в ультразвуковой технологии;

- в электроакустике;

- в устройствах автоматики;

- в электронной технике и радиотехнике;

- в медицине и т.д.

Согласно предлагаемой классификации практически все пьезорезонансные датчики могут быть отнесены к одной из следующих групп.

1.Пьезорезонансные датчики на основе чувствительности к полям различной физической природы (механическим, тепловым, электромагнитным, оптическим и т.п.).

2.Среди них наиболее распространёнными являются следующие группы датчиков:

Пьезорезонансные датчики на основе тензочувствительных пьезорезонаторов, в которых измеряемое воздействие прямо или косвенно создаёт в пьезоэлементе механические деформации. Преобразование в параметр реализуется через тензочувствительность пьезорезонатора.

Пьезорезонансные датчики на основе термочувствительных пьезорезонаторов. В этих датчиках измеряемый параметр прямо или косвенно воздействует на среднюю температуру (или её распределение по объёму) пьезоэлемента. Преобразование параметра осуществляется посредством термочувствительности пьезорезонатора.

Пьезорезонансные датчики на основе пьезорезонаторов, чувствительных к акустической нагрузке, комплексному сопротивлению. В этих устройствах измеряемый параметр модулирует условия излучения ультразвука с колеблющихся поверхностей пьезоэлемента. Механизм, лежащий в основе работы акустических пьезорезонансных датчиков, будем называть механизмом акусточувствительности.

Пьезорезонансные датчики на основе масс-чувствительных пьезорезонаторов, использующие зависимость параметров резонаторов от массы вещества, присоединённого (сорбированного) поверхностью пьезоэлемента. Преобразование параметра в них осуществляется через масс-чувствительность пьезорезонатора

3. Пьезорезонансные датчики на основе чувствительнотсти к вариациям геометрии прибора, в которых эквивалентные параметры резонаторов меняются при взаимном смещении элементов конструкции пьзорезонатора, например, при изменении зазора между электродом и вибратором.

4. Пьезорезонансные датчики на основе гирочувствительных пьезопреобразователей. В этих устройствах измеряемым воздействием является частота вращения пьезовибратора вокруг оси, перпендикулярной к плоскости резонансных колебаний. Работа гиропреобразователей основана на появлении во вращающемся и одновременно колеблющемся с резонансной частотой вибраторе знакопеременных сил Кориолиса, пропорциональных частоте вращения и изменяющих направление с частотой колебаний. Силы Кориолиса порождают дополнительные деформации пьезоэлемента, преобразуемые через пьезоэффект в электрическое переменное напряжение с амплитудой, пропорциональной частоте вращения, фазой, соответствующей направлению вращения.

2. Тензодатчики

Тензодатчик также иногда называют как: датчик веса, датчик силы, тензометрический датчик, тензорезисторный датчик- все это обозначает обычно одно и то же. Наиболее распространенные конструкции тензодатчиков: балочный, мостовой, сильфонный, одноточечный (single point), колонный, шайбовый, S - образный. Выбор типа конструкции обуславливается назначением весовой системой, в которой используется тензометрический датчик и конструктивными особенностями места его установки.

Самой распространенной схемой тензодатчика является называемая "четырехжильная" схема подключения, такая схема используется в обычных случаях. В случаях, когда имеется значительная разница сопротивлений кабелей смежных тензодатчиков, применяется "шестижильная" схема подключения, такая схема позволяет компенсировать электрическое сопротивление кабелей тензодатчиков. В соответствии с OIML R60 классы точности датчиков распространяются в очень широком диапазоне, но в реальности классы точности тензодатчиков соответствуют от D1 до С6. Наибольшее применение нашел класс точности C3, что приблизительно соответствует комбинированной погрешности 0.02%. Применение более точных датчиков требует обоснования.

Чаще всего датчики изготавливаются из легированной стали, нержавеющей стали и алюминия. Обычно одноточечные (single point) датчики производятся из алюминия, а остальные из легированной стали. Нержавеющая сталь дороже и предлагается как опция, чаще применяется в пищевых производствах. Также при выборе тензодатчика необходимо обратить внимание на: рабочий диапазон температур, рабочий коэффициент передачи (РКП), рекомендуемое и максимальное напряжение питания, класс защиты, входное и выходное сопротивление, длину и диаметр кабеля.

2.1 Усиление и формирование сигнала с помощью тензодатчиков

Резистивные мостовые тензодатчики широко применяются там, где нужно преобразовать физическую величину - такую как давление, сила или вес - в электрический сигнал. Этот электрический сигнал обычно довольно мал, поэтому его необходимо усилить, прежде чем подавать его на вход АЦП измерительной системы.

Сигнал, возникающий на выходе тензомоста, обычно довольно мал и содержит шум, а также погрешности смещения и усиления. Прежде чем подвергать этот сигнал оцифровке, его необходимо усилить, откорректировать смещение в соответствии с диапазоном входного сигнала АЦП и отфильтровать с целью уменьшения уровня шума. Блок усиления и формирования сигнала, может быть сконструирован на операционных усилителях и дискретных элементах, применение специализированных инструментальных усилителей способствует снижению затрат, уменьшению размеров устройства и экономии времени разработчика.

В типичных случаях дифференциальный сигнал на выходе тензомоста -составляет десятки или сотни милливольт - которые пропорциональны давлению и напряжению возбуждения, приложенному к мосту. Например, рабочий диапазон датчика давления Honeywell 26PC01SMT составляет ±1.0 psi. При напряжении возбуждения 5 В смещение нуля (при нулевом давлении) на выходе будет составлять около ± 2 мВ, а полный размах выходного дифференциального напряжения будет составлять от ±14.7 мВ до ±18.7 мВ, при этом синфазное напряжение будет равно 2.5 В. Для того, чтобы с высокой точностью измерить это небольшое дифференциальное напряжение в присутствии большого синфазного напряжения, необходим инструментальный усилитель с присущей ему способностью подавлять синфазный сигнал. Например, при разрешающей способности 12 разрядов напряжение единицы младшего разряда (1 LSB) будет составлять менее 10 мкВ (35 мВ/4096), что на 101 dB ниже уровня синфазногосигнала.

2.2 Ручная подстройка тензомоста

Мост Уитстона в системе измерения давления обычно подстраивается вручную для того чтобы устранить погрешность и откорректировать рабочий диапазон. Подразумевается в процессе производства измерительной системы подстройка таких параметров, как смещение, дрейф температуры, коэффициент передачи и дрейф коэффициента передачи. Процесс подстройки занимает время и повышает стоимость готового изделия. Альтернативная возможность - калибровка смещения с помощью подачи сигнала с выхода цифро-аналогового преобразователя на опорный вход инструментального усилителя. Коррекция смещения необходима, так как в противном случае погрешность смещения будет уменьшать динамический диапазон системы.

Ввиду некоторого разброса коэффициента преобразования датчика для большинства измерительных систем требуется регулировка усиления. Обычно это осуществляется посредством подключения подстроечного потенциометра последовательно с внешним резистором, устанавливающим коэффициент усиления инструментального усилителя. Для того чтобы обеспечить хорошие характеристики в широком температурном диапазоне, более предпочтительна программная установка и подстройка усиления.

Инженеры-разработчики предпочли бы, чтобы все датчики давления одинаковой марки имели идентичные характеристики. Но обычно поставляемые промышленностью датчики не обеспечивают высокую идентичность параметров. Единственный способ, которым можно было бы добиться идентичности датчиков - это их дополнительная калибровка при производстве.

Схема ручной подстройки тензомоста.

Пример схемы тензомоста.

Некоторые датчики с инструментальным усилителем с нулевым дрейфом обеспечивают возможность калибровки усиления и смещения с помощью цифрового интерфейса. Эти приборы могут компенсировать погрешность смещения и погрешность коэффициента преобразования мостовых тензодатчиков, а также обнаруживать сбой в работе датчика. Регулировка параметров обычно осуществляется программным путём, что позволяет избавиться от подстроечных резисторов и трудоемкого процесса калибровки. Во многих случаях, когда от измерительной системы требуется компактность, надежность, возможность работы в широком температурном диапазоне используется именно такой тип регулировки.

В ряду датчиков одинаковой марки величина смещения может достигать 20%. Коэффициент передачи датчика также может различаться почти в два раза.

Заключение

Датчики существенно облегчают задачу разработчику, позволяя упростить схемотехнику проектируемого прибора и повысить его надежность, прочность, чувствительность, рабочий диапазон и другие характеристики. Возможность программирования датчиков на аналитическую основу и контроль над определёнными зонами также представляет большое значение для разработчика. Использование датчиков в различных приборах, обуславливается его характеристиками с точки зрения цены, доступности, качества и габаритов. Поэтому появление в последнее время датчиков миниатюрного исполнения, выполненных с использованием интегральных технологий, ещё более ускорила их использование в различных устройствах.

Автоматизация работ таких датчиков позволяет использовать их также в неблагоприятных условиях либо в условиях повышенного фона радиоизлучений, угрожающих непосредственному присутствию человека или его здоровью.

Повсеместное использование сенсорной техники в производственных целях, в целях безопасности и в различных механизмах ускорило способы реализации более сложных конструкций на основе простых.

Список литература

1. Смагин А.Г., Ярославский М.И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. /Смагин А.Г., Ярославский М.И. М.: Энергия, 1970.

2. Разработка и исследование частотных датчиков механических величин на основе управляемых пьезоструктур: /Малов В.В. Автореф.дис. канд. техн. наук. М.,1971.

3. Пьезоэлемент дифференциального частотного пьезодатчика механических величин./М.С. Хлыстунов, В.В. Малов. Открытия.,1972.

4. Взаимозаменяемость частотных пьезорезонансных датчиков механических величин./В.В. Малов, В.Н. Симонов, М.А. Виноградов, С.А. Арабей, 1983.

5. Современные датчики. Справочник./Дж. Фрайден. Техносфера, 2006.

6. Пьезорезонансные датчики./В.В. Малов. Электроатомиздат, 1989.