Пьезоэлектрический датчик (ПД) — это устройство, используемое для обнаружения или измерения различных типов физических величин в окружающей среде. Входным сигналом может быть свет, тепло, движение, влажность, давление и вибрация.
Генерируемый выходной электрический сигнал, образуется пропорционально приложенному входному сигналу. Он передается по сети для дальнейшей обработки. В зависимости от измеряемого входного сигнала существуют различные типы датчиков.
Определение пьезоэлектрического датчика
Этот датчик работает по принципу пьезоэлектричества, когда при механическом давлении на материал, генерируется электрическая энергия. Не все материалы обладают пьезоэлектрическими характеристиками. Существуют несколько типов пьезоэлектрических материалов применяемых в ПД — это, в основном, природный монокристалл кварца и искусственно изготовленная пьезокерамика.
Кварц является доступным в природе минералом, поэтому такие пьезоэлектрические преобразователи, как правило, имеют невысокую стоимость. Турмалин — полудрагоценная форма кварца, обладает субмикросекундной чувствительностью и полезен при измерении очень быстрых переходных процессов. Может обеспечить как хорошую линейность, так и пониженную температурную чувствительность. Такие устройства применяются при высокоточных измерениях и имеют высокую стоимость.
Пьезоэлектрическим датчиком измеряются физические величины: ускорение и давление. Датчик давления, или пьезометрический датчик, и ускорения работают по одному и тому же принципу пьезоэлектричества. Различие между ними заключается в варианте воздействия на чувствительный элемент.
Принцип работы
Пьезоэлектрический кристалл помещается между двумя металлическими пластинами, которые находятся в идеальном равновесии, даже если они не расположены симметрично. Пластины прикладывают к материалу механическое напряжение или силу, в результате чего электрические заряды кристалла выходят из равновесия.
На его противоположных гранях создается избыточный положительный и отрицательный заряд. Металлическая пластина аккумулирует эти заряды, создавая напряжение и ток, тем самым преобразуется механическая энергия в пьезоэлектричество.
Важно! При приложении давления к мембране, пьезоэлектрический материал нагружается и начинает генерировать электрический ток с напряжением, пропорциональным входному давлению. Такие устройства также известны, как первичные преобразователи.
Технические характеристики пьезокерамического датчика
При определении пьезоэффекта важно понимать поведение кристаллов. Они могут работать от продольных или поперечных сил, и нечувствительны к электрическим полям и электромагнитному излучению. Они создают линейный отклик в очень широком диапазоне температур, что делает их идеальными измерительными устройствами для работы в суровых климатических условиях.
Основные характеристики пьезоэлектрических датчиков:
- Широкий диапазон измерения, могут определять давление от 0.7 кПа до 70 МПа.
- Чувствительность (S): характеризует изменения выходного сигнала ∆y к сигналу, вызвавшему изменение ∆x: S = ∆y/∆x.
- Надежность — способность ПД сохранять характеристики в определенных пределах в заданных условиях эксплуатации.
- Значение импеданса ≤500 Ом.
- Диапазон температур от −20 °C до + 60 °C.
- ПД имеют очень низкую температуру пайки.
Важно! Из-за своей высокой гибкости кварц является наиболее предпочтительным материалом в качестве ПД. Помимо этого, некоторые характеристики пьезоэлектрических первичных измерителей включают порог срабатывания, ошибки, время индикации.
Пьезокерамический датчик обладает рядом преимуществ, таких как:
- Высокой частотной характеристикой, что обеспечивает обнаружение даже слабых сигналов и в короткие промежутки времени.
- Высокая переходная характеристика — они могут обнаруживать события в микросекундах, а также выдавать линейный выходной сигнал.
- Высокая мощность, измеряемая электронной схемой.
- Небольшие размеры и прочная конструкция.
К недостаткам таких ПД относится их повышенная чувствительность к колебаниям температуры, что требует применения специальных кабелей и систем усиления.
Поскольку применения таких ПД в промышленности требует от них точности измерения, систему усиления сигнала моделируют под каждый измеряемый параметр. Например, если технологическое давление изменяется в широком диапазоне, предпочтительным выбором являются датчики давления с хорошей линейностью и низким гистерезисом.
Колебания окружающей температуры и температуры процесса вызывают ошибки в измерениях давления, особенно в среде с низким показателем или небольшим его перепадом. В таких случаях используют термокомпенсаторы.
Применение пьезоэлектрических датчиков
Пьезоэлектрический датчик может быть активным и пассивным. Первые используются для измерения давления, ускорения, температуры, уровня жидкости и могут выступать в качестве первичных датчиков для расходомеров и толщиномеров. Пассивные используются в микрофонах, акселерометрах и в музыкальных инструментах.
Пьезоэлектрические датчики также используются для ультразвуковой визуализации, оптических и микро движущихся измерений, электроакустики. Их применяют в различных секторах экономики, таких как здравоохранение, энергетика, газоснабжение, аэрокосмическая промышленность, бытовая электроника и ядерное приборостроение.
Поскольку пьезоэлектрические преобразователи не способны измерять статическое давление, они широко используются для оценки явлений динамического характера, связанных со взрывами, пульсациями или условиями динамически изменяемой среды в автомобильных и ракетных двигателях, компрессорах и других устройствах, работающих под давлением.
Загрузка...
