Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектри́ческий эффе́кт — эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэлектрический эффект — возникновение механических деформаций под действием электрического поля.

Свойствами пьезоэффекта обладают природные кристаллы кварц, турмалин, искусственные кристаллы сегнетовая соль, тинатат бария и др.

Применяют, например, в датчиках давления, силы, виброускорения.

Относятся к генераторным датчикам, вырабатывают пьезоЭДС. Выходная мощность пьезоэлектрических датчиков очень мала, кроме того они обладают высоким импедансом, поэтому измерительная схема представляет собой усилитель с возможно большим входным сопротивлением.

Условное схематическое изображение устройства

пьезоэлектрического датчика ускорений.

Применяются в виброметрах. Устанавливаются на объекте и позволяют измерять виброускорение контролируемой поверхности, а путем последующего интегрирования – виброскорость, и двойного интегрирования – вибросмещение.

Емкостные датчики

Емкостным датчиком называют преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение емкостного сопротивления.

Обычно емкостный датчик представляет собой плоский или цилиндрический конденсатор, одна из обкладок которого перемещается под действием входной величины, вызывая изменение емкости. Обкладкой конденсатора в некоторых случаях может служить и сам контролируемый объект.

Используются в системах регулирования и управления в различных областях, например, для контроля линейных и угловых перемещений, давления, заполнения резервуаров, как конечные выключатели в технологическом оборудовании, в системах сигнализации и т.д. Широкое распространение получили датчики приближения (присутствия).

Преимущества емкостных датчиков по сравнению с датчиками других типов:

· простота изготовления, использование недорогих материалов для производства; - малые габариты и вес; - низкое потребление энергии; - высокая чувствительность;

· отсутствие контактов (в некоторых случаях – один токосъем);

· долгий срок эксплуатации;

· потребность весьма малых усилий для перемещения подвижной части емкостного датчика;

· простота приспособления формы датчика к различным задачам и конструкциям.

Недостатки емкостных датчиков:

· при негерметичном исполнении высокая чувствительность к изменениям параметров окружающей среды, например, пыли, коррозии, влажности, ионизирующей радиации;

· высокие требования к экранировке деталей;

· необходимость работы на повышенной (по сравнению с 50 Гц) частоте.

Переменными факторами при использовании емкостных датчиков могут быть:

· диэлектрическая проницаемость среды ε;

· площадь перекрытия обкладок S;

· расстояние между обкладками d.

Датчики на основе MEMS-технологий

В результате развития микроэлектроники и технологий микрообработки появляются новые типы устройств, в том числе измерительных преобразователей. Аббревиатура MEMS означает Micro Electro Mechanical Systems (микроэлектромеханические системы)

В частности, в последнее время все большее распространение в различных областях техники получают акселерометры-инклинометры. Это преобразователи, также основанные на изменении емкости под действием входной величины, однако представляющие собой новое направление развития конструкций датчиков, благодаря исполнению в виде интегральных электромеханических устройств. Выпускают такие преобразователи фирмы Analog Devices, Freescale Semiconductor и др.

Они широко используются для измерения угла крена, сил инерции, ударов и вибрации в автомобилестроении, медицине, индустриальном контроле и других приложениях. Значительное преимущество таких акселерометров перед пьезоэлектрическими акселерометрами состоит в том, что с их помощью может быть измерена постоянная величина ускорения (т.е. их можно использовать для измерения крена, где величина ускорения является постоянной - 1 g).

Примеры:

Измерение крена или наклона

· для систем предупреждения в автомобиле

· для мониторинга (отслеживания) состояния пациентов

Измерение сил инерции

· для защиты дисковых накопителей в портативных компьютерах

· для создания датчиков аварий воздушных резервуаров

· для навигационных систем автомобилей

· для контроля подъемных устройств

Измерение ударов и вибрация

· для контроля механизмов

· для проведения специальных испытаний

Создание акселерометров в диапазоне ускорений от до ±100g в диапазоне частот от 0 до 1 КГц

Элемент ячейки интегрального акселерометра фирмы Analog Devices показан на рис. Элемент датчика выполняется путем осаждения поликремния на вспомогательный оксидный слой, которой затем стравливается.

Реальный датчик содержит десятки таких элементарных ячеек для измерения ускорения. Электрической основой датчика является дифференциальный конденсатор {CS1, CS2), который образован центральной пластиной, являющейся частью подвижной балки, и двумя фиксированными внешними пластинами. Эти два конденсатора равны по величине в состоянии покоя (при отсутствии ускорения). При приложении ускорения масса балки вызывает ее смещение в сторону одной из фиксированных пластин и удаление от другой. Это изменение дифференциальной емкости является электрической основой для работы нормирующей электроники, показанной на рис.

На фиксированные пластины конденсатора датчика подается дифференциальное напряжение 1 МГц прямоугольной формы: амплитуды напряжения равны, а фазы сдвинуты на 180°. В состоянии покоя величины двух конденсаторов одинаковы и потому выходное напряжение в их электрическом центре (т.е. на центральной пластине, закрепленной на подвижной балке) = 0. Когда балка начинает двигаться, возникает рассогласование емкостей, и оно дает выходной сигнал на центральной пластине. Выходной сигнал будет увеличиваться с ростом ускорения. Сигнал с центральной пластины буферизуется усилителем А1 и подается далее на синхронный детектор. Перемещения балки воздействует на фазу сигнала, и поэтому для получения информации об амплитуде используется синхронное детектирование. Выходной сигнал синхронного детектора подается на усилитель А2, который дает выходное напряжение V_0UTl пропорциональное ускорению.