Пьезоэффект и датчики на его основе

Работа пьезоэлектрических датчиков основана на физическом явлении, называемом пьезоэлектрическим1 эффектом. Этот эффект состоит в том, что при сжатии кристалла в определенном направлении на его гранях возникают электрические заряды разных знаков.

Пьезоэффект был открыт в 1880 г. П. и Ж. Кюри, наблюдавшими его у кварца и некоторых других кристаллов. В настоящее время существует свыше 1500 элементов и соединений, обладающих пьезоэлектрическим эффектом. Различают прямой пьезоэлектрический эффект – возникновение электрической поляризации под действием механического напряжения и обратный пьезоэлектрический эффект – деформация (сжатие или растяжение) кристалла под влиянием электрического поля. Простейшим пьезодатчиком является пластина из пьезоэлектрического материала, зажатая между двумя металлическими обкладками, к которым прикладывается измеряемое усилие.

Возникающая между обкладками ЭДС пропорциональна механическому напряжению (усилию). В вырезанной пластинке кристалла кварца в форме параллелепипеда можно выделить три взаимно перпендикулярные оси симметрии: электрическую, механическую и оптическую (рис. 1.3).

Под действием силы F_х вдоль электрической оси на каждой из граней, перпендикулярной оси Х, появляются электрические заряды. Отметим, что суммарный заряд q_x не зависит от размеров пластины, а определяется величиной силы F_x:

(1.2)

где к₀ – пьезоэлектрическая постоянная материала, или пьезоэлектрический модуль. Полярность заряда зависит от направления силы по оси Х (сжатие или растяжение). Появление заряда на гранях под действием силы Fx называется продольным пьезоэффектом.

Рис. 1.3

Под действием силы растяжения F_y вдоль механической оси заряд возникает на тех же гранях, что и при действии силы F_x, но знак заряда будет тот же, что при действии силы сжатия F_x. Соответственно сила сжатия Fу вызовет появление заряда на тех же гранях и того же знака, что и сила растяжения F_x. Появление заряда под действием силы Fу называется поперечным пьезоэффектом. Величина заряда под действием F_у уже зависит от размеров пластины:

, (1.3)

где с и d cоответственно длина и толщина пластины. Знак минус означает, что полярность заряда от сил сжатия по осям Х и Y противоположна. Деформации вдоль оптической оси Z не вызывают появления зарядов ни на одной из граней.

Особенностью пьезодатчиков является то, что заряд на гранях исчезает, как только прекращается действие силы. Кроме того, надо иметь в виду, что если сила постоянна, то со временем происходит утечка зарядов. По этой причине пьезоэлектрические датчики используются для оценки динамических процессов, когда переменность механического напряжения вызывает восполнение заряда на гранях.

Малые размеры, безынерционность, активный принцип действия (не требуется внешнего источника электрической энергии) обусловили широкое распространение пьезодатчиков. Они применяются для измерения силы, давления, частоты вращения, ускорения. Рассмотрим схематичное устройство некоторых датчиков.

Датчики давления (усилия) (рис. 1.4) обеспечивают динамическое измерение давления. Конструктивно датчик состоит из кварцевой пластины (2), зажатой между двумя металлическими прокладками (1). Кварцевая пластина отделена от корпуса (4) изолирующей прокладкой (3). Давление, поступающее на крышку, сжимает кварцевую пластинку, на гранях которой появляются заряды. Через контакт (5) снимается возникшая разность потенциалов в виде напряжения U, пропорционального приложенному давлению (усилию):

, (1.4)

где С_д – емкость датчика конденсатора, образованного электродами датчика и кварцевой пластиной; С_м – емкость монтажа.

Рис. 1.4

Выходное напряжение пьезоэлектрических датчиков составляет от единиц милливольт до единиц вольт. Для усиления выходного напряжения следует применять усилители с весьма большим входным сопротивлением.

Аналогичные пьезодатчики используются в электронно-управляемых дизельных топливных насосах высокого давления для определения начала и конца впрыска (подачи топлива). Датчик регистрирует изменение давления в секции насоса.

Датчик ускорения. На рис. 1.5 представлено схематическое устройство датчика на основе двухслойной пьезокерамики (биморфный упругий элемент). Инерционная масса датчика под действием ускорения вызывает изгибную деформацию, обеспечивающую достаточный по уровню для обработки динамический сигнал.

а) б)

Рис. 1.5

На рис. 1.5,а показано состояние датчика в режиме покоя или равномерного движения. На рис. 1.5,б пластина изгибается, на ее гранях появляется разноименный заряд, определяющий величину разности потенциалов. Такие датчики используются в пусковых устройствах подушек безопасности автомобилей, натяжителях ремней безопасности, устройствах, препятствующих опрокидыванию автомобилей. Предельная частота измерений таким датчиком около 10 Гц.

Датчик детонации 1) (рис. 1.6).В качестве таковых также используются датчики ускорения, в основе которых лежит продольный пьезоэффект. Датчик детонации прикрепляется к блоку цилиндров с помощью посадочной втулки в таком месте, чтобы обеспечить оптимальное определение детонации во всех цилиндрах двигателя. Место установки датчика определяется экспериментально на этапе конструкторской разработки двигателя.

Рис. 1.6

Колебания блока цилиндров двигателя при детонации передаются к кольцевому пьезокерамическому элементу, расположенному между двумя металлическими контактами. Инерционная масса в датчике служит для усиления эффекта восприятия вибрационных колебаний. Сигнал с датчика сначала фильтруется и преобразуется в электронном блоке, а затем амплитуда огибающей функции сравнивается с допустимым уровнем для сигнала детонации. При превышении заданного уровня детонации автоматический регулятор зажигания корректирует угол опережения зажигания в нужную сторону. Для увеличения прочности датчика его заливают компаундом2).

Датчики на основе пьезоэлементов простой геометрической формы (прямоугольная пластинка или круглый диск) могут работать в диапазоне частот до десятков килогерц, измерять ускорения от десятых долей до сотен значений ускорений свободного падения.

Поскольку пьезоэлектрический датчик подобен электрическому конденсатору, то в целях снижения утечки зарядов необходимо, чтобы приемник имел большое входное сопротивление. Так, например, если емкость пьезоэлемента составляет десятки пФ, а сопротивление практически реализуемых датчиков имеет порядка десятков – сотен МОм, то для построения входных каскадов усилителей целесообразно использовать полевые транзисторы с изолированным затвором, имеющие входные сопротивления порядка 10¹⁰ –10¹⁶ Ом.

Коэффициент полезного действия пьезопреобразователей лежит в диапазоне 40–70 %. На автомобиле пьезоэлектрические датчики применяются в системах защиты стекол, системах предотвращения от соударений автомобиля с препятствием и т.д.

Дата добавления: 2014-01-07