Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические датчики относятся к генераторным датчикам. В этих датчиках используется пьезоэлектрический эффект (или, короче, пьезоэффект), который заключается в том, что некоторые материалы под действием на них силы электризуются: на их поверхности появляется электрический заряд, величина которого зависит от приложенной силы. Это означает, что материал, обладающий пьезоэффектом, выполняет преобразование силы в электрический заряд. Природным материалом, который обладает пьезоэффектом, является кварц или горный хрусталь..

Заряд, возникающий вследствие пьезоэффекта, линейно зависит от приложенной силы:

,

где  - коэффициент пьезочувствительности материала.

Точность преобразования силы в заряд довольно высока. Так, кристалл кварца выполняет это преобразование с относительной погрешностью . Дальнейшее преобразование электрического заряда в напряжение выполняет усилитель заряда, и полученное напряжение может быть измерено любым средством измерения напряжения: аналоговым или цифровым вольтметром или АЦП, сопряженным с компьютером.

Пьезоэффект может быть продольным, когда заряд возникает на поверхностях, к которым приложена сила, или поперечным, когда заряд возникает на боковых поверхностях. Материал при этом практически не деформируется.

На рис. 67 представлены схемы, иллюстрирующие продольный (рис. 67 а) и поперечный (рис. 67 б, в) пьезоэффекты, и обозначены знаки возникающих зарядов. Для эффективного использования поперечного пьезоэффекта две пластины пьезоматериалов соединяют параллельно (рис. 67 б), прокладывают между ними проводящую прокладку и закрепляют их, как консольную балку. Образующийся заряд возникает на зажимах, как показано на рисунке. При действии силы F верхняя пластина растягивается, а нижняя сжимается, и заряд возникает на боковых относительно действующих напряжений сторонах пластин. В такой конструкции чувствительность преобразования F ® q существенно выше.

К достоинствам кристалла кварца применительно к созданию датчиков силы и других величин относится его стойкость к высокой температуре (пьезоэффект утрачивается после точки Кюри при t° = 530°C) и высокая точность и стабильность преобразования.

Затрудняет применение кварца трудоемкость обработки и очень высокое удельное сопротивление, достигающее  Ом. Поверхностное сопротивление кварца гораздо меньше, поэтому для предотвращения утечки заряда приходится применять хорошую изоляцию, а также тщательно обрабатывать поверхности и герметизировать датчики, защищая кристалл кварца от пыли и грязи. Высокие требования предъявляются к кабелю, соединяющему пластины кварца со входом усилителя заряда. Во избежание утечек заряда изоляция между проводами должна быть очень высокой, а емкость между ними минимальной.

Кроме кристалла кварца в пьезоэлектрических датчиках используются пьезокерамики. К пьезокерамикам относится титанат бария, различные разновидности цирконато-титаната свинца и другие. Точность преобразования силы в заряд у этих материалов хуже, чем у кварца.

Пьезокерамики изготавливаются из сегнетоэлектриков, которые не являются кристаллическими веществами и их домены расположены хаотично. Сегнетоэлектрики сильно измельчают, а затем спекают с вяжущим веществом в сильном электростатическом поле. Сравнительные характеристики некоторых пьезоэлектрических материалов приведены в таблице 6.

Допустимое механическое напряжение для всех материалов

~ .

Таблица 6

Сравнительные характеристики пьезоэлектрических материалов

Материал	Коэффициент пьезочувствительности   продольной                            поперечной		Точка Кюри °С
Кристалл кварца		4,5	530
Титанат бария		1700	150
Цирконато-титанат свинца (ЦТС)		1300	до 400

Из сказанного ясно, что на основе подобных материалов, обладающих пьезоэффектом, могут быть созданы пьезоэлектрические датчики силы, ускорения и давления. От подобных тензорезистивных датчиков пьезоэлектрические отличаются повышенной температурной стойкостью и повышенной надежностью. Однако при невысоких температурах применения в связи с успехами в микротехнологии тензорезистивные датчики успешно конкурируют с пьезоэлектрическими.

На рис. 68 показаны цепочки преобразований, которые выполняются с участием перечисленных датчиков. На этом рисунке усилитель заряда включен в состав пьезоэлектрического датчика с учетом современной тенденции встраивания вторичных преобразователей в корпуса датчиков вторичных преобразователей. В результате входные цепи усилителя приближаются непосредственно к источнику заряда и тем самым уменьшаются погрешности, вызванные несовершенством изоляции кабеля и его емкостью, которая частично шунтирует пьезоэлемент датчика. Однако, при этом к датчику приходится подводить питание, необходимое для работы усилителя.

Усилитель заряда - общий для всех типов пьезоэлектрических датчиков. Он представляет собой усилитель напряжения с большим коэффициентом усиления порядка , охваченный глубокой отрицательной емкостной обратной связью. В связи с этим усилитель является, по сути, конденсатором, на выходе которого развивается напряжение   , где  = (50 ¸ 100) пФ - емкость конденсатора, стоящего в цепи обратной связи. Упрощенная схема такого усилителя представлена на рис. 69. Параллельно с конденсатором обратной связи включается активное сопротивление  Ом. Современная элементная база позволяет достичь чувствительности усилителя заряда до 1 В/пКл.

Рассмотрим характерные конструктивные особенности пьезоэлектрических датчиков.

Схемы  воздействия  силы   на   пьезоэлемент  датчика   представлены  на рис. 67. Для того, чтобы обеспечить наилучшую изоляцию, в датчике силы, работающем по принципу, показанному на рис. 67 а, используется изоляция, которая обеспечивается самим пьезоэлементом. Для этого применяется составной пьезоэлемент, состоящий из двух пластин, между которыми проложена проводящая прокладка (см. рис. 70 а). Используется продольный пьезоэффект, пластины пьезоэлементов 4 соединяются располагаются так, чтобы заряды, возникающие под действием измеряемой силы, были направлены навстречу друг другу. Электрическое соединение пластин - параллельное. Поскольку верхняя и нижняя пластины вынуждены контактировать с корпусом датчика 1, отвод заряда с них осуществляется с помощью коаксиального кабеля, центральный провод которого 2 присоединен к внутренним сторонам пластин пьезоэлементов, а внешняя оболочка 3 соединяется с корпусом,. Далее следует усилитель заряда и все последующие преобразователи. Точно так же обеспечивается наилучшая изоляция и в случае использования поперечного пьезоэффекта в соответствии с рис. 67 б. Подобная схема размещения пьезоэлементов показана на

рис. 70 г и является типичной также для датчиков давления. Для датчика ускорения, в котором тело 5 с массой m не контактирует с корпусом, эта схема не используется.

С развитием полупроводниковой микротехнологии тензорезистивные датчики давления и ускорения становятся все более серьезными конкурентами пьезоэлектрических датчиков тех же измеряемых величин. Единственной позицией, которую прочно занимают пьезоэлектрические датчики, является измерение очень высоких импульсных давлений при высоких температурах. Примером таких измерений могут служить измерения давления взрыва в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания: дизельных и бензиновых. В этой области наилучшими характеристиками обладают пьезоэлектрические датчики фирмы "Kistler" (Германия). В некоторых из этих датчиков, предназначенных для работы при очень высокой температуре, применяется водяное охлаждение. Точность датчиков фирмы "Kistler" составляет 0.2% на пределах измерения до 20.0 МПа и выше. Частотная полоса - до 80.0 кГц. Фирмой выпускаются одноосные, двухосные и трехосные пьезоэлектрические датчики ускорения. Высокочувствительные миниатюрные пьезоэлектрические датчики ускорения с выходным сигналом в виде заряда или напряжения выпускает также  фирма  Bruel & Kjaer  (Дания)  с  частотным  диапазоном  до 50 кГц. Масса датчиков - от 3 г до 12 г. Пьезоэлектрические датчики для сейсмических измерений, в частности, с целью раннего прогнозирования землетрясений выпускает фирма PCB Piezotronics.

Погрешность лучших современных пьезоэлектрических датчиков ускорения достигает (0,2 ¸ 0,5) %.