Пьезоэлектрический датчик
Пьезоэлектричество (также называемое пьезоэлектрическим эффектом) – это наличие электрического потенциала на кристалле, когда механическое напряжение прикладывается путем его сжатия. В работающей системе кристалл действует как небольшая батарея с положительным зарядом на одной стороне и отрицательным зарядом на другой. Чтобы сформировать целостную цепь, две грани соединены вместе, и через эту цепь проходит ток.
Эффект пьезоэлектричества обратимый. Всякий раз, когда электрическое поле прикладывается к клеммам кристалла, пьезодатчик испытывает механическое напряжение, что приводит к изменению формы. Это известно как обратный пьезоэлектрический эффект. Такой эффект можно наблюдать в кварцевых часах. В повседневной работе наручные часы используют кварцевый резонатор, который работает как генератор. Когда на кристалл подается электрический сигнал, кристалл вибрирует, что помогает периодически регулировать механизм внутри часов.
Пьезоэлектрический датчик – датчик, который использует пьезоэлектрический эффект для измерения изменений ускорения, деформации, давления и силы путем преобразования их в электрический заряд. Это пьезоэлектричество пропорционально напряжению, приложенному к подложкам из прочного пьезоэлектрического кристалла.
Когда к пьезоматериалу применяется давление или ускорение, на гранях кристалла генерируется эквивалентное количество электрического заряда. Электрический заряд будет пропорционален приложенному давлению. Работу пьезоэлектрического датчика можно обобщить следующим образом.
1. В пьезоэлектрическом кристалле заряды точно сбалансированы и находятся в несимметричном расположении.
2. Эффект зарядов компенсируется друг с другом, и, следовательно, на поверхностях кристаллов не будет обнаружено никакого чистого заряда.
3. Когда кристалл сжимается, заряд в кристалле становится неуравновешенным.
4. Влияние заряда не взаимно компенсируется, что приводит к появлению чистого положительного и отрицательного заряда на противоположных гранях кристалла.
5. Сжимая кристалл, напряжение создается на противоположной стороне, и это известно как пьезоэлектричество.
Пьезоэлектрические датчики используются для измерения динамического давления. Измерение динамического давления предусматривается в таких областях, как измерение турбулентности, сгорания двигателя и т. д. Изменения давления жидкостей и газов при измерениях давления в цилиндрах гидравлического процесса можно измерять с помощью пьезорезистивных датчиков давления.
Одно из основных требований к таким датчикам - наличие предварительного сжатия пьезоэлемента и минимальная деформация мембраны, воспринимающей давление измеряемой среды. Детали, передающие усилие от давления среды на пьезоэлемент, должны образовывать неразрывную кинематическую цепь. Датчик должен быть герметизирован от измеряемой среды. Изменения температуры должны как можно меньше влиять на его характеристики. Масса деталей, соединенных с пьезоэлементом, должна быть минимальна для обеспечения широкой полосы пропускания высоких частот, габаритные размеры должны быть минимальны, для возможности использования датчика в различных адаптерах.
Развитие пьезоэлектрических технологий напрямую связано с рядом присущих им преимуществ. Высокий модуль упругости многих пьезоэлектрических материалов сравним с таковым многих металлов и достигает 10 Н / м². Несмотря на то, что пьезоэлектрические датчики представляют собой электромеханические системы, которые реагируют на сжатие, чувствительные элементы показывают почти нулевой прогиб. Это обеспечивает надежность пьезоэлектрических датчиков, чрезвычайно высокую собственную частоту и отличную линейность в широком диапазоне амплитуды. Кроме того, пьезоэлектрическая технология нечувствительна к электромагнитным полям и излучению, что позволяет проводить измерения в суровых условиях. Некоторые используемые материалы (особенно фосфат галлия или турмалин) чрезвычайно стабильны при высоких температурах, что позволяет датчикам иметь рабочий диапазон до 1000 ° C.
