Пьезоэлектрические датчики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Введение

У некоторых материалов наблюдается эффект электрической поляризации, изменяющейся при любой механической деформации материла. Когда к небольшому образцу такого материала приложена сила (или на него оказывается давление), между противоположными гранями образца возникает разность электрических зарядов. Это явление называется пьезоэлектрическим эффектом.

Этот эффект наблюдается у материалов, в кристаллической решетке которых отсутствует центр симметрии, например у кварца. Любая внешняя механическая деформация вызывает изменение дипольного момента кристалла, что является причиной макроскопической электрической поляризации, приводящей в результате к возникновению разности зарядов на гранях кристалла. Этот эффект может также наблюдаться в материалах, обладающих центром симметрии, если только симметрия нарушена сильным электрическим полем из-за спонтанной поляризации материла.

Примером такого класса материалов (ферроэлектриков) является титанат бария. Может также наблюдаться и обратный эффект: образец пьезоэлектрического материла деформируется, когда к нему приложено электрическое напряжение. [1]

История

История развития пьезоэлектричества насчитывает более 120 лет. В 1880 г. Пьер и Жак Кюри обнаружили, что под воздействием силы на поверхности некоторых материалов возникают электрические заряды. Этот эффект был назван прямым пьезоэффектом, электричество, вызванное механическим давлением, - пьезоэлектричеством, а материалы, в которых происходит это явление, - пьезоэлектрическими (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.) [5]. Г. Липман в 1881 г. предсказал, что электрическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому материалу, должно вызывать в нем механическое напряжения и упругие деформации [8]. Это явление было названо обратным пьезоэффектом: слово «пьезо» (piezo) заимствовано из греческого и означает «давлю».

Практическое применение пьезоэлектрического эффекта началось с 1917 г., когда французский физик Поль Ланжевен предложил использовать ультразвуковой эхолокационный прибор для обнаружения подводных объектов. В этом приборе в качестве излучателя и приемника ультразвуковых сигналов использовались кварцевые пластинки, вмонтированные между стальными накладками, понижающими резонансную частоту преобразователя [7]. Вначале ультразвуковой локатор Ланжевена использовался в качестве Эхолота; его усовершенствование привело к созданию современных ультразвуковых эхолокаторов, широко применяемых для обнаружения различных подводных препятствий и подводных лодок. После изобретения Ланжевена появились первые разработки пьезоэлектрических микрофонов, телефонов, звукоснимателей, приборов для звукозаписи, устройств для измерений вибраций,

сил и ускорений и т.д. Следующим этапом в истории применения пьезоэлектричества было использование пьезоэлектрических пластинок и стержней в качестве элементов, стабилизирующих частоту электронных высокочастотных генераторов. Это применение основано на сильной зависимости электрического импеданса пьезоэлемента от частоты вблизи механического резонанса [3]. В 1925 г. пьезоэлектрическая пластинка была впервые применена для измерения акустических свойств вещества: Г. Пирс использовал ее в акустическом интерферометре для измерения скорости ультразвука в газах [14]. Важным этапом применения пьезоэлектричества для практических целей было открытие возможности обнаружения внутренних дефектов в твердых телах при помощи ультразвуковых волн: в 1928 г. С.Я. Соколов получил авторское свидетельство СССР на изобретение первого ультразвукового дефектоскопа [47].

Следующим шагом в использовании пьезоэлектрических преобразователей в ультраакустических исследованиях веществ было развитие методов измерения скорости и поглощения ультразвука, основанных на эффекте дифракции света на ультразвуковых волнах.

Этот эффект открыли в 1932 г. Р. Дебай и Ф. Сире [6] и независимо от них Р. Люка и П. Бикар [9]. Работы, в которых этот метод использовался для измерения скорости и поглощения ультразвука в жидкостях и твердых телах, начали появляться начиная с 1936 г. В 1944 г. в физическом институте им. Лебедева АН СССР Б.М. Вул и И.П. Гольдман впервые в мире методом синтеза получили пьезокерамический титанат бария (ВаТЮз) [21, 22]. На основе титаната бария, поляризованного в сильном электрическом поле, были разработаны первые пьезокерамические электроакустические преобразователи [10, 18], которые привлекли к себе внимание сильно выраженными пьезоэлектрическими свойствами, простотой технологии изготовления преобразователей различных конфигураций и сравнительной дешевизной исходных материалов.

Быстрыми темпами расширялись области применения пьезоэлектрических преобразователей в послевоенные годы. Появился целый ряд новых областей,:ультразвуковые линии задержки, ультразвуковая медицинская терапия и диагностика, уровнемеры, приборы для непрерывного промышленного контроля физико-химических свойств веществ и другие приборы. Вместе с тем актуальной стала разработка более эффективных электроакустических

преобразователей. Поэтому во многих странах большое внимание уделялось разработке новых пьезоэлектрических материалов. Развитие теории и практики пьезоэлектрических устройств связано также с именами У. Мэзона, Л. Бергмана, У. Кэди, Р. Тэрстона, Г.В. Катца, М. Оное, Г. Тирстена [и др., а также отечественных ученых Н.Н. Андреева, A. А. Харкевича, В. Домаркаса и Р. Кажиса, В.В. Малова, А.Н. Куценко [34], Л.Я. Гутина [26], Н.А. Шульги и A.M. Болкисева [53], В.В. Лавриненко [35], И.А. Глозмана [23], С.И. Пугачева [46], О.П. Крамарова [32], А.Ф. Улитко [49], И.Г. Минаева [41], А.И. Трофимова [48], А.Е. Колесникова [31], М.В. Королева [32], И.Н. Ермолова [29], Р.Г. Джагупова [27], B. М. Плужникова [42], П.О. Грибовского [25], П.Г. Позднякова [43], В.М. Шарапова [51, 52] и др.

датчик устройство материал пьезоэлектрический

Классификация пьезоэлектрических датчиков

Пьезоэлектрические датчики содержат кристаллы или текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект). Особенностью пьезоэффекта является знакочувствительность, т.е. изменение знака заряда при замене сжатия растяжением и изменение знака деформации при изменении направления поля [36, 54].

Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кристаллические вещества: кварц, турмалин, ниобат лития, сегнетова соль и др., а также искусственно создаваемые и специально

поляризуемые в электрическом поле поликристаллические материалы (пьезокерамики): титанат бария, титанат свинца, цирконат свинца и др. [57].

Пьезоэлектрические датчики позволяют решать многие задачи: для измерения механических параметров (усилии, 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 [38]. По разрешающей способности и точности эти устройства во многих случаях превосходят датчики, выполненные на других физических принципах.

Пьезоэлектрические датчики можно разделить на два класса в зависимости от физических эффектов, лежащих в их основе.

К первому классу относятся датчики, использующие прямой пьезоэффект. Они используются для измерения линейных и вибрационных ускорений, динамических и квазистатических давлений и усилий, параметров звуковых и ультразвуковых полей и др. [52].

Ко второму классу пьезодатчиков относятся так называемые резонансные пьезодатчики [17, 38, 48]. В их основе может лежать обратный пьезоэффект (резонансные пьезодатчики на основе пьезоэлектрических резонаторов), а также обратный и прямой пьезоэффекты (резонансные пьезодатчики на основе пьезоэлектрических трансформаторов). Кроме того, в их основе лежат другие физические эффекты (тензочувствительность, акусточувствительность, термочувствительность и др.), что позволяет использовать их для измерения статических и динамических давлений и усилий, линейных и вибрационных ускорений, концентраций веществ в газах, вязкости, углов наклона и др. [27, 52].

Пьезодатчики можно классифицировать также по следующим признакам.

1. По применяемому материалу. Датчики из:

- монокристаллических материалов (кварц, ниобат лития и др.);

- поликристаллических материалов (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 динамических давлений и усилий;

- для измерения линейных ускорений;

- для измерения параметров вибраций;

- для измерения статических давлений и усилий;

- для измерения параметров удара;

- для измерения звукового давления.

- для измерения влажности;

для измерения вязкости;

для гидроакустики;

для гироскопов;

для газоанализаторов;

для измерения температуры;

для измерения контактной жесткости;

для измерения фактической площади контакта;

для измерения магнитных величин;

для измерения в оптике;

для измерения микроперемещений;

для измерения концентрации пыли;

в ультразвуковой технологии;

в электроакустике;

в устройствах автоматики;

в связи;

в электронной технике и радиотехнике;

в медицине:

- для ультразвуковых томографов;

- для измерения пульса;

- для измерения тонов Короткова;

- для урологии;

- для офтальмологии.

Принцип работы

Рассмотрим работу пьезоэлектрического датчика на примере датчика давления.

На рис. 1 показано, как можно воспользоваться пьезоэлектрическим эффектом в датчике давления. Заряд Q, возникающий на гранях кристалла, пропорционален приложенной силе F, а давление Р = AF, где А - площадь поверхности, на которую действует сила F. Чувствительность по заряду пьезоэлектрического датчика силы определяется как

Эта чувствительность зависит от материала кристалла и его ориентации но не зависит от размеров кристалла. Чувствительность по напряжению по определению, равна

и, поскольку для конденсатора справедливо равенство Q = СV, находим

где С - электрическая емкость датчика. Очевидно, что чувствительность пьезоэлектрического датчика по напряжению зависит от его размеров.

Рис. 1. Пьезоэлектрический датчик давления

На рис. 2 показана электрическая эквивалентная схема такого датчика. Резистор R, включенный между двумя выводами, отражает обычно очень высокое сопротивление утечки. Благодаря этому становится невозможным с помощью датчика такого типа измерять статические силы. Статическая сила вызвала бы появление на выходе постоянного напряжения. Однако из-за утечки заряда через влажную или загрязненную поверхность и конечное объемное сопротивление величина постоянного напряжения быстро падает.

Рис. 2. Эквивалентная электрическая схема

Некоторые типичные характеристики реального пьезоэлектрического датчика давления таковы: материал - кварц; диапазон измерения 0 - 5000 Н/ см²; нелинейность 1%; чувствительность по заряду 3 пКл·см³/ Н; температурный коэффициент чувствительности ; емкость 8 пФ; резонансная частота 20 кГц; сопротивление утечки Ом.

Предположим, что выход пьезоэлектрического датчика соединен со входом усилителя напряжения (усилитель с очень большим входным импедансом). Поскольку усилитель обычно располагается на некотором расстоянии от датчика, соединение осуществляется с помощью длинного кабеля. На рис 3, где приведена эквивалентная схема, включающая датчик, кабель и входную цепь усилителя, приняты следующие обозначения: Ск - емкость, а R_к - сопротивление утечки между двумя проводниками кабеля; Сi - входная емкость, a Ri - входное сопротивление усилителя напряжения.

Рис. 3. Подключение усилителя напряжения к пьезоэлектрическому датчику силы с помощью кабеля

Входное напряжение усилителя равно Vi поэтому передаточная функция определяется как

В этом выражении r' представляет собой параллельное соединение резисторов R, R_К и Ri, а С' - параллельное соединение конденсаторов Ск и Сi. На высоких частотах коэффициент передачи становится действительной величиной и равен S_VC/(C + C'). Сигнал ослабляется из-за емкости кабеля и входной емкости. Из приведенного выражения для передаточной функции

следует, что нижняя граничная частота f, по уровню -3 дБ равна fi = 1/2лR' (С + С'). Ниже этой частоты коэффициент передачи уменьшается в 2 раза (на 6 дБ) при понижении частоты на октаву. Поэтому для получения высокой чувствительности и малого значения f входной импеданс усилителя должен быть очень большим. Применяя специальный измерительный усилитель (электрометрический усилитель) можно получить входное сопротивление порядка 10¹⁴ Ом и входную емкость около 1 пФ.

Проблем, связанных с емкостью кабеля и входным импедансом усилителя, можно избежать, применяя в качестве меры силы величину заряда, а не напряжение. Выходной сигнал датчика поступает в этом случае на вход усилителя заряда, схематически изображенного на рис. 4.

Рис. 4. Схема усилителя заряда

Если коэффициент усиления A₀ используемого операционного усилителя очень велик, то входное напряжение будет пренебрежимо малым при конечном выходном напряжении Vо. Это означает, что напряжения, приложенные к кабелю и к входному импедансу операционного усилителя, становятся приблизительно равными нулю. Пренебрегая импедансами кабеля и усилителя, видим, что выходной заряд датчика полностью стечет через импеданс, образованный паралелльным соединением Со и Rо. Следовательно, передаточная функция равна:

Если R настолько велико, что wRoCo много больше единицы, то коэффициент передачи будет действительной величиной:

У операционного усилителя всегда имеется небольшой втекающий или вытекающий входной ток (необходимый для обеспечения требуемого режима по постоянному току входных транзисторов усилителя). Поэтому в отсутствие R_о усилитель заряда интегрировал бы этот ток до тех пор, пока, наконец, не попал бы в состояние насыщения на выходе. Однако сопротивление резистора R_o надо выбирать большим для того, чтобы на низких частотах усилитель заряда работал удовлетворительно. Как следствие, операционный усилитель должен иметь крайне малые входные токи смещения (например, во входном каскаде должны быть применены полевые транзисторы).

Выходное напряжение усилителя заряда V_o пропорционально заряду Q, возникающему на выходе датчика, поскольку V_o =-FS_q/C₀ =-Q/C. Малое значение выходного импеданса источника напряжения V_o может пригодиться впоследствии в процессе дальнейшей передачи. [1]

Материалы для изготовления

Наиболее перспективным пьезоэлектрическим материалом является пьезокерамика. Возможность использования пьезокерамики в приборостроении и автоматике появилась лишь в начале 60-х годов, когда был освоен промышленный синтез пьезокерамических материалов, обладающих по сравнению с такими естественными пьезоэлектриками, как кварц, сегнетова соль, турмалин и др., высокой чувствительностью, механической прочностью, повышенной температурной стабильностью. С этого времени в отечественной и зарубежной литературе появляется большое число публикаций по применению пьезокерамических элементов, а также началось их внедрение в промышленность [27].

Пьезокерамика обладает многими достоинствами. Технология производства пьезокерамики проста, а значит, удается значительно снизить стоимость преобразователей на ее основе. Высокая радиационная стойкость пьезокерамических материалов ставит вне конкуренции те устройства на их базе, которые рассчитаны на работу в условиях повышенной радиации. Пьезокерамические элементы исключительно стойки к действию различных агрессивных сред. Это позволяет использовать пьезокерамические устройства во многих сложных химических производствах.

Недостатком пьезокерамики, по сравнению с кварцем, является низкое значение точки Кюри Тк (для кварца это значение составляет Тк - 570°С, для пьезокерамики на основе титаната бария в пределах 100-200°С). Однако сейчас уже разработаны высокотемпературные пьезокерамические материалы, которые имеют значение точки Кюри в пределах кварца. Так, элементы, изготовленные из некоторых марок пьезокерамики ЦТС, ПКР, не теряют своей работоспособности при температурах до 300-400°С (например, для ЦТС-21 Тк = 400°С), а на основе кобальта способны выдерживать температуру, равную 700°С и более.

Широкий диапазон температур позволяет использовать пьезокерамические преобразователи от +400 до -270°С. Более того, специальные преобразователи могут использоваться, например, для измерения давления в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, где температура колеблется от нормальной до +1600°С, а радиационная температура может достигать +3000°С.

Широкий диапазон измерения пьезокерамических преобразователей охватывает несколько десятичных порядков. Пьезопреобразователи имеют высокую разрешающую способность и выдерживают высокие давления.

Пьезоэлектрические датчики позволяют измерять высокие давления, имеют большую жесткость, что особенно важно при изготовлении динамометров для измерения в широком диапазоне частот.

Диэлектрическая природа пьезоэлемента, функционирование за счет действия электрического поля, практическое отсутствие тока (токи утечки в 10~~6-10~8 А) обеспечивают ему качество взрывобезопасного элемента, КПД которого близко к 100%. Это свойство можно использовать на взрывоопасных предприятиях, к числу которых относятся практически все нефтехимические производства.

Таким образом, применение пьезокерамических элементов открывает широкие перспективы в различных областях науки и техники. Пьезокерамические элементы - элементы функциональной электроники - используют в радиоэлектронике, устройствах автоматики, вычислительной и измерительной техники. Развитие этого нового научно-технического направления привело к созданию высокоэффективных пьезоэлектронных источников высокого (до 100 кВ) и низкого напряжений, пьезоприводных устройств широкого

назначения с поступательным, вращательным и сложными видами движений, пьезокерамических матриц и запоминающих устройств. Пьезоэлементы широко используют в качестве экономичных преобразователей энергии сигналов.

Примеры современных пьезоэлектрических датчиков

1. ПД-4, ПД-6 - пьезоэлектрические датчики пульсации давления

в топливном трубопроводе дизельного двигателя.

Описание и технические характеристики

Пьезоэлектрические датчики ПД-4, ПД-6 предназначены для преобразования радиальной деформации топливного трубопровода высокого давления дизельного двигателя в электрический заряд.

Датчики могут быть использованы как первичные преобразователи:

а) для отметки момента начала впрыскивания топлива в дизельных стробоскопах;

б) для оценки характера изменения давления в топливопроводе в измерительных системах диагностики дизелей.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:

1. Диаметр трубопровода, мм: для датчика ПД-4 от 4 до 6; для датчика ПД-6 от 6 до 8.

3. Габариты датчика, мм 30 х 22 х 6.

4. Емкость, пФ, не менее 250.

[3]

2. Датчики давления пьезоэлектрические типа 014МТ, 018 и 019.

Предназначены для преобразования быстропеременного и импульсного давления в электрический сигнал и используются в первичных преобразователях скорости потока вихревых счетчиков воды, тепла, газа, пара и других однородных сред.

Датчики попарно монтируются в элементы трубопровода с условным проходом от 25 до 200 мм за телом обтекания и регистрируют вихри, частота и количество которых пропорционально скорости потока и объемному расходу. [4]

Технические характеристики

Используемые источники

1. К.Б. Классен. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. Москва: Постмаркет, 2000. - 352 с.

2. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики / Под ред. В.М. Шарапова. - Москва: Техносфера, 2006. - 632 с.

3. http://www.nppnts.ru (сайт фирмы НПП «НТС»)

4. http://www.gorelki.com (сайт ЗАО «Фаза»)

Размещено на Allbest.ru