Piezoelektrisk accelerometer
En piezoelektrisk accelerometer är en accelerometer som använder den piezoelektriska effekten av vissa material för att mäta dynamiska förändringar i mekaniska variabler (t.ex. acceleration, vibrationer och mekaniska stötar).
Som med alla givare omvandlar piezoelektrik en form av energi till en annan och ger en elektrisk signal som svar på en kvantitet, egenskap eller tillstånd som mäts. Genom att använda den allmänna avkänningsmetoden som alla accelerometrar är baserade på, verkar acceleration på en seismisk massa som är fasthållen av en fjäder eller upphängd på en fribärande balk, och omvandlar en fysisk kraft till en elektrisk signal. Innan accelerationen kan omvandlas till en elektrisk storhet måste den först omvandlas till antingen en kraft eller förskjutning . Denna omvandling görs via massfjädersystemet som visas i figuren till höger.
Introduktion
Ordet piezoelektrisk har sina rötter i det grekiska ordet piezein , som betyder att klämma eller trycka. När en fysisk kraft utövas på accelerometern, belastar den seismiska massan det piezoelektriska elementet enligt Newtons andra rörelselag ( . Kraften som utövas på det piezoelektriska materialet kan observeras i förändringen i den elektrostatiska kraften eller spänningen som genereras av det piezoelektriska materialet. Detta skiljer sig från en piezoresistiv effekt genom att piezoresistiva material upplever en förändring i materialets resistans snarare än en förändring i laddning eller spänning. Fysisk kraft som utövas på piezoelektriken kan klassificeras som en av två typer; böjning eller kompression. Påkänning av kompressionstyp kan förstås som en kraft som utövas på ena sidan av piezoelektriken medan den motsatta sidan vilar mot en fast yta, medan böjning innebär att en kraft utövas på piezoelektriken från båda sidor.
Piezoelektriska material som används för accelerometrar delas in i två kategorier: enkristallmaterial och keramiska material. De första och mer allmänt använda är enkristallmaterial (vanligtvis kvarts). Även om dessa material erbjuder en lång livslängd när det gäller känslighet, är deras nackdel att de i allmänhet är mindre känsliga än vissa piezoelektriska keramer. Den andra kategorin, keramiska material, har en högre piezoelektrisk konstant (känslighet) än enkristallmaterial och är billigare att tillverka. Keramik använder bariumtitanat , bly-zirkonat-bly-titanat, blymetaniobat och andra material vars sammansättning anses vara skyddad av företaget som ansvarar för deras utveckling. Nackdelen med piezoelektrisk keramik är emellertid att deras känslighet försämras med tiden, vilket gör anordningens livslängd mindre än för enkristallmaterial.
I applikationer där lågkänslig piezoelektrik används, kan två eller flera kristaller kopplas samman för utgångsmultiplikation. Rätt material kan väljas för särskilda applikationer baserat på känslighet , frekvenssvar , bulk-resistivitet och termisk respons. På grund av den låga utsignalen och den höga utimpedansen som piezoelektriska accelerometrar har, finns det ett behov av förstärkning och impedansomvandling av den producerade signalen. Tidigare har detta problem lösts med en separat (extern) förstärkare / impedansomvandlare . Denna metod är emellertid i allmänhet opraktisk på grund av det buller som införs såväl som de fysiska och miljömässiga begränsningar som ställs på systemet som ett resultat. Idag IC- förstärkare/impedansomvandlare kommersiellt tillgängliga och är vanligtvis förpackade i själva accelerometerns hölje.
Historia
Bakom mysteriet med den piezoelektriska accelerometerns funktion ligger några mycket grundläggande begrepp som styr beteendet hos kristallografiska strukturer. 1880 Pierre och Jacques Curie en experimentell demonstration som kopplar samman mekanisk spänning och ytladdning på en kristall. Detta fenomen blev känt som den piezoelektriska effekten . Nära besläktad med detta fenomen är Curie-punkten , uppkallad efter fysikern Pierre Curie, som är temperaturen över vilken piezoelektriskt material förlorar spontan polarisering av sina atomer.
Utvecklingen av den kommersiella piezoelektriska accelerometern kom till genom ett antal försök att hitta den mest effektiva metoden för att mäta vibrationer på stora konstruktioner som broar och på fordon i rörelse som flygplan. Ett försök involverade att använda motståndstöjningsmätaren som en anordning för att bygga en accelerometer. Det var för övrigt Hans J. Meier som genom sitt arbete på MIT tilldelas kredit som den första att konstruera en kommersiell töjningsmätare (cirka 1938). Emellertid var töjningsgage-accelerometrarna ömtåliga och kunde bara producera låga resonansfrekvenser och de uppvisade också ett lågfrekvenssvar. Dessa begränsningar i dynamiskt omfång gjorde den olämplig för att testa strukturer för sjöflygplan. Å andra sidan visade sig den piezoelektriska sensorn vara ett mycket bättre val framför töjningsmätaren vid utformningen av en accelerometer. Den höga elasticitetsmodulen hos piezoelektriska material gör den piezoelektriska sensorn till en mer genomförbar lösning på problemen som identifierats med töjningsgage-accelerometern.
Enkelt uttryckt, de inneboende egenskaperna hos de piezoelektriska accelerometrarna gjorde det till ett mycket bättre alternativ till töjningsmätartyperna på grund av dess höga frekvenssvar och dess förmåga att generera höga resonansfrekvenser. Den piezoelektriska accelerometern möjliggjorde en minskning av dess fysiska storlek på tillverkningsnivån och den gav också en högre g- förmåga (standardgravitation) i förhållande till töjningsmätartypen. Som jämförelse uppvisade töjningsmätartypen ett platt frekvenssvar över 200 Hz medan den piezoelektriska typen gav ett platt gensvar upp till 10 000 Hz. Dessa förbättringar gjorde det möjligt att mäta de högfrekventa vibrationerna förknippade med flygplans snabba rörelser och kortvariga stötar, vilket tidigare inte var möjligt med töjningsgivartyperna. Snart blev de tekniska fördelarna med den piezoelektriska accelerometern uppenbara och i slutet av 1940-talet började storskalig produktion av piezoelektriska accelerometrar. Idag används piezoelektriska accelerometrar för instrumentering inom områdena teknik, hälsa och medicin, flygteknik och många andra olika industrier.
Tillverkning
Det finns två vanliga metoder som används för att tillverka accelerometrar. Den ena är baserad på principerna om piezoresistens och den andra är baserad på principerna om piezoelektricitet. Båda metoderna säkerställer att oönskade ortogonala accelerationsvektorer utesluts från detektion.
Att tillverka en accelerometer som använder piezoresistens börjar först med ett halvledarskikt som är fäst på en handtagsskiva med ett tjockt oxidskikt. Halvledarskiktet mönstras sedan till accelerometerns geometri. Detta halvledarskikt har en eller flera öppningar så att den underliggande massan kommer att ha motsvarande öppningar. Därefter används halvledarskiktet som en mask för att etsa ut en kavitet i den underliggande tjocka oxiden. En massa i kaviteten stöds på ett fribärande sätt av halvledarskiktets piezoresistenta armar. Direkt under accelerometerns geometri finns en flexkavitet som gör att massan i håligheten kan böjas eller röra sig i riktning som är ortogonal mot accelerometerns yta.
Accelerometrar baserade på piezoelektricitet är konstruerade med två piezoelektriska givare. Enheten består av ett ihåligt rör som tätas av en piezoelektrisk givare i varje ände. Givarna är motsatt polariserade och är valda för att ha en specifik seriekapacitans. Röret fylls sedan delvis med en tung vätska och accelerometern exciteras. Medan den är exciterad mäts den totala utspänningen kontinuerligt och volymen av den tunga vätskan mikrojusteras tills den önskade utspänningen erhålls. Slutligen mäts utsignalerna från de individuella givarna, restspänningsskillnaden tas i tabellform och den dominerande omvandlaren identifieras.
1943 lanserade det danska företaget Brüel & Kjær Type 4301 - världens första laddningsaccelerometer.
Tillämpningar av piezoelektriska accelerometrar
Piezoelektriska accelerometrar används i många olika industrier, miljöer och applikationer - alla kräver vanligtvis mätning av kortvariga impulser. Piezoelektriska mätanordningar används idag i stor utsträckning i laboratoriet, på produktionsgolvet och som originalutrustning för att mäta och registrera dynamiska förändringar i mekaniska variabler inklusive stötar och vibrationer.
Vissa accelerometrar har inbyggd elektronik för att förstärka signalen innan den överförs till inspelningsenheten. Detta arbete var banbrytande av PCB Piezotronics, släppt 1967 som ICP® Integrated circuit piezoelectric, som senare utvecklades till IEPE -standarden (se Integrated Electronics Piezo-Electric ). Andra relaterade, varumärkesspecifika beskrivningar av IEPE är: CCLD, IsoTron eller DeltaTron.
Accelerometrar har också fått ett inbyggt minne för att innehålla serienummer och kalibreringsdata, vanligtvis kallad TEDS Transducer Electronic Data Sheet enligt IEEE 1451-standarden.
- Norton, Harry N. (1989). Handbok för givare . Prentice Hall PTR . ISBN 0-13-382599-X "PDF-länk"
externa länkar
- "Piezoelektriska givare"
- "Piezoelektriska sensorer"
- "Piezoelektriska accelerometrar - teori och tillämpning"
- "Access to Accels" - Handledning om PE-accelerometrar