Пьезоэлектрический акселерометр — это акселерометр , который использует пьезоэлектрический эффект определенных материалов для измерения динамических изменений механических переменных (например, ускорения, вибрации и механического удара).
Как и все преобразователи , пьезоэлектрики преобразуют одну форму энергии в другую и выдают электрический сигнал в ответ на измеряемую величину, свойство или состояние. Используя общий метод измерения, на котором основаны все акселерометры, ускорение действует на сейсмическую массу , которая удерживается пружиной или подвешена на консольной балке, и преобразует физическую силу в электрический сигнал. Прежде чем ускорение можно будет преобразовать в электрическую величину, его сначала необходимо преобразовать либо в силу , либо в смещение . Это преобразование выполняется с помощью системы пружины массы, показанной на рисунке справа.
Слово пьезоэлектрик происходит от греческого слова piezein , что означает сжимать или давить. Когда на акселерометр воздействует физическая сила, сейсмическая масса нагружает пьезоэлектрический элемент в соответствии со вторым законом движения Ньютона ( ). Силу, воздействующую на пьезоэлектрический материал, можно наблюдать по изменению электростатической силы или напряжения, создаваемого пьезоэлектрическим материалом. Это отличается от пьезорезистивного эффекта тем, что пьезорезистивные материалы испытывают изменение сопротивления материала, а не изменение заряда или напряжения. Физическую силу, воздействующую на пьезоэлектрик, можно классифицировать как один из двух типов: изгиб или сжатие. Напряжение типа сжатия можно понимать как силу, приложенную к одной стороне пьезоэлектрика, в то время как противоположная сторона упирается в неподвижную поверхность, в то время как изгиб подразумевает силу, приложенную к пьезоэлектрику с обеих сторон.
Пьезоэлектрические материалы, используемые для акселерометров, делятся на две категории: монокристаллические и керамические материалы. Первые и наиболее широко используемые — это монокристаллические материалы (обычно кварц). Хотя эти материалы действительно обеспечивают длительный срок службы с точки зрения чувствительности, их недостатком является то, что они, как правило, менее чувствительны, чем некоторые пьезокерамические материалы. Другая категория, керамические материалы, имеют более высокую пьезоэлектрическую постоянную (чувствительность), чем монокристаллические материалы, и менее дороги в производстве. Керамика использует титанат бария , цирконат свинца-титанат свинца, метаниобат свинца и другие материалы, состав которых считается запатентованным компанией, ответственной за их разработку. Однако недостатком пьезоэлектрической керамики является то, что ее чувствительность со временем ухудшается, что делает долговечность устройства меньше, чем у монокристаллических материалов.
В приложениях, где используются пьезоэлектрики с низкой чувствительностью, два или более кристалла могут быть соединены вместе для умножения выходного сигнала. Соответствующий материал может быть выбран для конкретных приложений на основе чувствительности , частотной характеристики , объемного сопротивления и теплового отклика. Из-за низкого выходного сигнала и высокого выходного импеданса , которыми обладают пьезоэлектрические акселерометры, существует необходимость в усилении и преобразовании импеданса производимого сигнала. В прошлом эта проблема решалась с помощью отдельного (внешнего) усилителя / преобразователя импеданса . Однако этот метод, как правило, непрактичен из-за вносимого шума , а также физических и экологических ограничений, накладываемых на систему в результате. Сегодня усилители IC / преобразователи импеданса имеются в продаже и, как правило, упакованы в корпус самого акселерометра.
За тайной работы пьезоэлектрического акселерометра скрываются некоторые очень фундаментальные концепции, управляющие поведением кристаллографических структур. В 1880 году Пьер и Жак Кюри опубликовали экспериментальную демонстрацию, связывающую механическое напряжение и поверхностный заряд на кристалле. Это явление стало известно как пьезоэлектрический эффект . Тесно связана с этим явлением точка Кюри , названная в честь физика Пьера Кюри, которая представляет собой температуру, выше которой пьезоэлектрический материал теряет спонтанную поляризацию своих атомов.
Разработка коммерческого пьезоэлектрического акселерометра произошла в результате ряда попыток найти наиболее эффективный метод измерения вибрации на больших конструкциях, таких как мосты, и на движущихся транспортных средствах, таких как самолеты. Одна из попыток включала использование тензодатчика сопротивления в качестве устройства для создания акселерометра. Кстати, именно Ганс Дж. Мейер, благодаря своей работе в Массачусетском технологическом институте, считается первым, кто построил коммерческий тензодатчик акселерометра (около 1938 г.). [1] Однако тензодатчики акселерометра были хрупкими и могли производить только низкие резонансные частоты, а также демонстрировали низкочастотную характеристику. Эти ограничения в динамическом диапазоне сделали его непригодным для испытания конструкций военно-морских самолетов. С другой стороны, было доказано, что пьезоэлектрический датчик является гораздо лучшим выбором по сравнению с тензодатчиком при проектировании акселерометра. Высокий модуль упругости пьезоэлектрических материалов делает пьезоэлектрический датчик более жизнеспособным решением проблем, выявленных с тензодатчиком акселерометра.
Проще говоря, присущие пьезоэлектрическим акселерометрам свойства сделали их гораздо лучшей альтернативой тензодатчикам из-за их высокочастотного отклика и способности генерировать высокие резонансные частоты. Пьезоэлектрический акселерометр позволил уменьшить его физический размер на уровне производства, а также обеспечил более высокую способность к g (стандартной гравитации) по сравнению с тензодатчиком. Для сравнения, тензодатчик показал плоскую частотную характеристику выше 200 Гц, в то время как пьезоэлектрический тип обеспечил плоскую характеристику до 10 000 Гц. [1] Эти усовершенствования сделали возможным измерение высокочастотных вибраций, связанных с быстрыми движениями и кратковременными ударами самолетов, что ранее было невозможно с тензодатчиками. Вскоре технологические преимущества пьезоэлектрического акселерометра стали очевидны, и в конце 1940-х годов началось крупномасштабное производство пьезоэлектрических акселерометров. Сегодня пьезоэлектрические акселерометры используются в измерительных приборах в области машиностроения, здравоохранения и медицины, аэронавтики и многих других отраслей промышленности.
Существует два распространенных метода изготовления акселерометров. Один основан на принципах пьезосопротивления, а другой — на принципах пьезоэлектричества. Оба метода гарантируют, что нежелательные ортогональные векторы ускорения исключаются из обнаружения.
Изготовление акселерометра, использующего пьезорезистивность, начинается с полупроводникового слоя, который крепится к пластине ручки толстым слоем оксида. Затем полупроводниковый слой формируется в соответствии с геометрией акселерометра. Этот полупроводниковый слой имеет одно или несколько отверстий, так что лежащая под ним масса будет иметь соответствующие отверстия. Затем полупроводниковый слой используется в качестве маски для вытравливания полости в лежащем под ним толстом оксиде. Масса в полости поддерживается консольно пьезорезистивными рычагами полупроводникового слоя. Непосредственно под геометрией акселерометра находится гибкая полость, которая позволяет массе в полости изгибаться или перемещаться в направлении, ортогональном поверхности акселерометра.
Акселерометры на основе пьезоэлектричества сконструированы с двумя пьезоэлектрическими преобразователями. Устройство состоит из полой трубки, которая герметизирована пьезоэлектрическим преобразователем на каждом конце. Преобразователи противоположно поляризованы и выбираются так, чтобы иметь определенную последовательную емкость. Затем трубка частично заполняется тяжелой жидкостью, и акселерометр возбуждается. Во время возбуждения постоянно измеряется общее выходное напряжение, а объем тяжелой жидкости микрорегулируется до тех пор, пока не будет получено желаемое выходное напряжение. Наконец, измеряются выходные данные отдельных преобразователей, табулируется остаточная разность напряжений и определяется доминирующий преобразователь.
В 1943 году датская компания Brüel & Kjær выпустила модель 4301 — первый в мире зарядовый акселерометр.
Пьезоэлектрические акселерометры используются во многих различных отраслях промышленности, средах и приложениях - все они, как правило, требуют измерения коротких импульсов. Пьезоэлектрические измерительные приборы широко используются сегодня в лабораториях, на производственных участках и в качестве оригинального оборудования для измерения и регистрации динамических изменений механических переменных, включая удары и вибрацию.
Некоторые акселерометры имеют встроенную электронику для усиления сигнала перед его передачей на записывающее устройство. Эта работа была начата PCB Piezotronics, выпущенной в 1967 году как ICP® Integrated circuit piezoelectric, позже развившейся в стандарт IEPE (см. Integrated Electronics Piezo-Electric ). [2] Другие связанные, специфические для бренда описания IEPE: CCLD, IsoTron или DeltaTron.
Акселерометры также имеют встроенную память для хранения серийного номера и данных калибровки, обычно называемую TEDS Transducer Electronic Data Sheet в соответствии со стандартом IEEE 1451. [3]
