Пьезоэлектрический датчик: описание, ускорение, принцип работы и особенности

№3 [Электричество, 2018]

Издается с июля 1880г. Научно-технический журнал в области энергетики и электротехники.

Многослойный пьезоактюатор выполня� ется в виде составного пьезопреобразователя из от� дельных пьезопластин <…> с их упругим поджатием, па� кетного или блочного пьезопреобразователя из спеченных с применением серебряной <…> пасты пье� зопластин, составного пьезопреобразователя из пьезопакетов с упругим армированием, многослой <…> � ного пьезопреобразователя, склеенного из пьезо� пластин, или многослойного пьезопреобразователя со

Предпросмотр: Электричество №3 2018.pdf (0,8 Мб)

Пьезоэлектрические акселерометры

Пьезоэлектрические акселерометры широко известны благодаря своей надежности, долговечности, высокому значению среднего времени наработки на отказ и возможности работать в условиях экстремальных температур. Для преобразования высокоимпедансного сигнала заряда акселерометра в низкоимпедансный выходной сигнал напряжения требуется соответствующая электроника, например трехканальный преобразователь сигнала 133 компании Meggitt или серия усилителей 2771C. Линейка пьезоэлектрических акселерометров Meggitt представлена широким набором моделей, отличающихся размерами, характеристиками и конфигурацией, что позволяет выбрать решение для измерения вибраций и ударов на любом объекте, будь то самолет, космический корабль или спутник, и для любых условий эксплуатации, в частности для сверхнизких и сверхвысоких температур или радиационных воздействий.

Рис. 1. Варианты конструкций пьезоэлектрических акселерометров: компрессионного типа (слева); сдвигового типа (справа)

Рис. 2. Трехосный высокотемпературный пьезоэлектрический акселерометр (модель 2280) компании Meggitt

Пьезоэлектрический акселерометр представляет собой механическую систему с одной степенью свободы, совершающую вынужденные колебания под влиянием силы, действующей со стороны объекта. Чувствительный элемент пьезоакселерометра состоит из массы, прикрепленной посредством пьезоэлектрического элемента к основанию таким образом, что при возникновении вибраций или ударов основания возникает сила реакции массы, вызывающая деформацию пьезоэлемента и генерирующая в нем заряд, пропорциональный величине виброускорения. При этом существуют различные типы конструкции чувствительного элемента, которые позволяют добиться преимущества в тех или иных областях применения. Например, пьезоакселерометры компрессионного типа (рис. 1), где пьезоэлемент работает на растяжение-сжатие, идеально подходят для измерения малых величин виброускорения, поскольку такая конструкция позволяет получить высокую чувствительность. Конструкция пьезоакселерометров сдвигового типа, где пьезоэлемент работает на сдвиг, дает возможность получить малые габариты и массу прибора, что позволяет использовать их для измерений на объектах с малой массой и габаритами. Бесспорное преимущество пьезоакселерометров такого типа — возможность максимально развязать чувствительный элемент от основания и тем самым существенно снизить передачу механических напряжений основания на чувствительный элемент и температурные погрешности. Полоса пропускания пьезоакселерометров при помощи электроники может быть подстроена под необходимую полосу частот, что помогает, в частности, избавиться от появления в выходном сигнале колебаний на частотах, соответствующих собственным частотам чувствительного элемента акселерометра.

Другая особенность пьезоэлектрических акселерометров заключается в их применении при чрезвычайно широком диапазоне температур — от криогенных до экстремально высоких, например внутри газотурбинного двигателя (рис. 2). На сегодня линейка пьезоакселерометров компании Meggitt содержит широкий спектр моделей различных размеров и формы, от миниатюрных моделей для тестирования мелкой электроники и печатных плат до пьезоакселерометров больших размеров, предназначенных для сейсмических измерений.

Влияние контуров заземления

Заземление кабеля и паразитные контуры с замыканием через землю

Для исключения сигналов помехи, обусловленной протекающими через шины заземления объектов контроля и регистрирующей аппаратуры паразитными токами, необходимо уделять особое внимание заземлению кабеля в зависимости от схемы подключения вибропреобразователя к регистрирующей аппаратуре

Паразитный контур в результате неправильного заземления

Паразитный контур с замыканием через шину заземления возникает, когда общая шина «вибропреобразователь — регистрирующая аппаратура» заземлена в двух местах с различными электрическими потенциалами. В условиях возможного возникновения паразитных контуров рекомендуется применять вибропреобразователи с внешней электрической изоляцией корпуса или использовать изолирующие шпильки (AH1005, AH1006, AH1010) и изолирующие магниты (AM05, AM08). В вибропреобразователях с чувствительным элементом и встроенным усилителем, электрически изолированными от корпуса, возникновение паразитных контуров не происходит (АР2028В, АР2028I, АР2035 и АР2036 (без металлорукава), АР208501, АР2086).

Смещение нулевой линии

Смещение нулевой линии в вибропреобразователях может проявляться в виде смещения постоянной составляющей, которая возвращается к нулевой линии по экспоненте. Причиной появления смещения нулевой линии может быть влияние кабельного эффекта, нерациональное заземление объекта испытаний и регистрирующей аппаратуры, а также конструктивные особенности вибропреобразователей. Вибропреобразователи АР с чувствительным элементом, работающим на сдвиг, наименее подвержены явлению смещения нулевой линии и в этом отношении превосходят вибропреобразователи других конструкций.

Требования к электропитанию вибропреобразователей со встроенной электроникой

В вибропреобразователях со встроенным предусилителем типа IEPE электропитание и передача сигнала осуществляется по двухпроводной линии связи. Устройство питания должно обеспечивать питание предусилителя типа IEPE постоянным током 2 … 20 мА при напряжении питания 15 … 30 В и подключение вибропреобразователя к регистрирующей аппаратуре через разделительный конденсатор емкостью ≥ 10 мкФ × 35 В для отделения полезного сигнала от постоянной составляющей напряжением 8 … 13 В.

Величина тока питания зависит от длины соединительного кабеля (емкостной нагрузки) и условий эксплуатации вибропреобразователя. При температуре окружающей среды t > 100 °C, когда важен фактор теплового рассеяния, оказывающий влияние на коэффициент передачи усилителя, ток питания не должен превышать 6 мА.

Если в регистрирующей аппаратуре отсутствует устройство питания, отвечающее выше перечисленным требованиям, подключение вибропреобразователей к регистрирующей аппаратуре следует производить через блок питания AS01 или согласующие устройства AG01 (AG013), AG02 (AG023). Применение согласующих устройств AG02 (AG023) снижает влияние переходных процессов при переключении каналов на результат измерения в низкочастотной области.

№4 [Успехи прикладной физики, 2016]

Основан в 2013 г. Главным редактором журнала является А.М. Филачёв, генеральный директор Государственного научного центра РФ — АО «НПО «Орион», доктор технических наук, член-корреспондент РАН, профессор, зав. кафедрой МГТУ МИРЭА. В журнале публикуются развернутые научные статьи и аналитические обзоры по основным аспектам разработки, внедрения и опыта использования в научной практике и в различных отраслях народного хозяйства приборов, оборудования и технологий, реализуемых на базе новых физических принципов и явлений. Освещаются прикладные проблемы, обсуждаемые на важнейших отечественных и международных физических конференциях. В частности, журнал стал официальным информационным спонсором ряда таких периодически проводимых конференций как Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения, Всероссийский семинар по электронной и ионной оптике, оперативно публикуя на своих страницах наиболее значимые их материалы, подготовленные и представленные (по рекомендации соответствующих Программных комитетов) в виде отдельных статей участников конференций.
Основные разделы журнала:

общая физика;
физика плазмы и плазменные методы;
электронные, ионные и лазерные пучки;
фотоэлектроника;
физическая аппаратура и её элементы;
научная информация

Пьезопреобразователь из LiNbO3, приклеенный к грани {110}, генерировал поперечную акустическую волну

Предпросмотр: Успехи прикладной физики №4 2016.pdf (0,7 Мб)

Производители

За рубежом лидерами в данной области техники являются: PCB Piezotronik JNG, Endevco Corporation, DYTRAN, Sanstard Date contrl — (США), Erich Broza, Rheometron — (Германия), Flopetron, C.F.V. LTD — (Франция), Merles, Motoroia JNG, AVL — (Великобритания), Kistler Instrument AG, Vibro-meter — (Швейцария), Hans List -(Австрия), Bruel & Kjaer (Дания). Ведущими предприятиями в России по разработке и выпуску пьезоэлектрических преобразователей и датчиков являются: ООО НПП «ТИК» г. Пермь, НИИ Физических измерений г. Пенза, ЦНИИМАШ г. Королев, НКТБ Пьезоприбор ЮФУ, ООО «Пьезоэлектрик» г. Ростов-на-Дону, ЗАО «Виброприбор», ООО «Актив-Термокуб» г. Екатеринбург, г. Санкт-Петербург. АО «Морион» Санкт-Петербург.

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ФРОНТАЛЬНОЙ ПРОЕКЦИИ В СПЕКТРАЛЬНОМ ПРОСТРАНСТВЕ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ [Электронный ресурс] / Базулин [и др.] // Сварка и Диагностика .— 2015 .— №1 .— С. 21-25 .— Режим доступа: https://rucont.ru/efd/613551

В статье рассмотрен метод когерентной обработки эхосигналов измеренных пьезопреобразователем развернутым на девяносто градусов к линии сканирования, и названный методом фронтальной проекции в спектральном пространстве (Ф-ПСП). Его применение позволяет восстанавливать изображения отражателей с высокой фронтальной разрешающей способностью в сравнении с обычной визуализацией. Особенно эффективно применение метода фронтальной ПСП в случае, когда отражатель находится далеко от приемной апертуры, например, при контроле основного металла трубы при многократном отражении импульса от ее границ. В этом случае, удается повысить отношение сигнал/шум более чем на 12 дБ, а фронтальную разрешающую способность, в некоторых случаях, удается увеличить в десять раз в сравнении с обычной визуализацией. Приведены примеры применения данного метода при восстановлении изображения отражателей в тестовых образцах и реальных объектах контроля

Особенности датчиков MLH220

Указанный пьезоэлектрический датчик вибрации производится с двумя контактными мембранами. При этом кварцевые пластины применяются повышенной проницаемости. Рабочая частота модификации находится на уровне 4 Гц. Если верить мнению экспертов, то корпус способен выдерживать большие нагрузки. Также стоит отметить, что сопротивление на выходных контактах равняется приблизительно 30 Ом. Система защиты у элемента, к сожалению, не предусмотрена.

Однако изоляция производителем установлена первого класса. Экранированная втулка в данном случае зафиксирована на мембране. Многие эксперты говорят о том, что модель способна похвастаться быстрой передачей положительного потенциала. Также стоит отметить, что у модели есть специальный модуль, который отвечает за проводимость сигнала. Емкость проводника равняется 50 мк. При этом диэлектрическая проницаемость элемента составляет не менее 60 %. Утечка зарядов представленному датчику не страшна.

Классификация приборов

Типы манометров различаются по двум признакам: по виду измеряемого ими показателя и по принципу действия.

По первому признаку они подразделяются на:

• приборы, предназначенные для измерения атмосферного давления, иначе они называются барометры;
• приборы, измеряющие избыточное и абсолютное;
• вакуумметры, призваны измерять разность атмосферного и абсолютного давлений;
• напорометры, измеряют малое (до 40 кПа) избыточное давление;
• тагометры, вид вакуумметра, которое измеряет избыточное давление верхнего предела 40 кПа;
• дифференциальные манометры, измеряют разность давлений.

Они работают по принципу уравновешивания разницы давлений определенной силой. Поэтому устройство манометров разное, в зависимости от того, как именно происходит это уравновешивание.

По принципу действия они делятся на:

• жидкостные, уравновешивание разницы давлений в таких приборах происходит за счет гидростатического давления столба жидкости, в устройстве используется принцип сообщающихся сосудов;
• пружинные имеют простую конструкцию, и широко применяются для измерения давления среды в широких диапазонах;
• мембранные, основаны на пневматической компенсации, уравновешивание давления происходит за счет силы упругости мембранной коробки;
• электроконтактные, применяются в автоматических системах контроля и сигнализации, поскольку с их помощью можно регулировать измеряемую среду благодаря встроенному в корпус электроконтактному механизму;
• дифференциальные используются для измерения уровня жидкостей под напором расхода жидкости, пара и газа с помощью диафрагм.

https://youtube.com/watch?v=MLdd1XPX7cA

По назначению существуют такие виды манометров, как:

• общетехнические приборы применяются для измерения напора жидкостей, газов и паров, химически нейтральных к сплавам меди;
• кислородные, они производятся в корпусах голубого цвета с указанием О2 на циферблате, применяются для измерения кислородного давления в баллонах или вакуумах;
• ацетиленовые применяются для контроля избыточного давления ацетилена;
• эталонные применяются в целях проверки других приборов, поскольку они обладают большой точностью;
• судовые применяются в судах и морском транспорте;
• железнодорожные используются на железнодорожном транспорте;
• самопишущие имеют встроенный механизм, который позволяет воспроизводить на бумаге результат работы.

https://youtube.com/watch?v=rq3BMjXM7PY

Горизонты химии 21 столетия [учебник]

Ростов н/Д.: Изд-во ЮФУ

В учебнике представлен цикл лекций ведущих ученых химического факультета и НИИ физической и органической химии Южного федерального университета,
освещающих важнейшие направления и перспективы развития современной
фундаментальной и прикладной химической науки и их связь с исследованиями,
проводимыми в институте и на кафедрах ЮФУ.

Компьютерное моделирование пьезопреобразователей. введение История развития технической цивилизации четко <…> Уже на этом этапе становится понятной одна из особенностей пьезопреобразователей, с которой во многом <…> Взаимосвязь давления деформации пьезопреобразователя и возникающего на преобразователе электрического <…> Оно связано с химико-технологическим и размерным дизайном резонансных характеристик пьезопреобразователей <…> Амплитудно-частотная характеристика широкополосного пьезопреобразователя кольцевого типа В настоящем

Предпросмотр: Горизонты химии 21 столетия.pdf (0,6 Мб)

№4 [Химическая физика и мезоскопия, 2016]

Тематика журнала включает в себя: Процессы горения и взрыва. Математическое моделирование физико-химических процессов. Кластеры, кластерные системы и материалы. Межфазные слои и процессы взаимодействия в них. Квантово-химические расчеты. Нелинейные кинетические явления. Наноэлектронные приборы и устройства. Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ РАН.

Пьезопреобразователи, работающие на изгибных модах и с помощью которых возможно получение максимально <…> Пьезопреобразователи как источники вибраций находят применение в микрогидродинамике, когда исследуются <…> Применение дискового пьезопреобразователя в качестве источника изгибных колебаний и волновода в виде <…> Так, при частичном погружении в жидкость вибрирующей струны, возбужденной пьезопреобразователем, при <…> Пластина размером 10×30 мм приклеена одним краем к пьезопреобразователю FML-20T-6.0A1-100.

Предпросмотр: Химическая физика и мезоскопия №4 2016.pdf (1,6 Мб)

Принципы работы

Сердце устройства — пьезокристалл. Окружен проводниками, преобразующими сигнал не только из вибрации струн, но и из резонирования корпуса инструмента. Устройство имеет один характерный параметр — емкость. Электрическая схема — напряжение с емкостью, которая имеет последовательность, причем ее величина составляет всего 100-500 пикофарад. Пьезодатчик используют с другой электроникой, например, с эквалайзером.

Устройство является электромеханическим. За счет малой емкости и отсутствия индуктивности, он не образует фонов и шумов.

На заметку! Пьезокристалл имеет свойство генерировать напряжение, если к нему приложить механические силы.

Основное преимущество устройства — способен снимать звук колебания по двум пространственным направлениям, а также вибрации корпуса из дерева, чем не могут похвастаться синглы и хамбакеры. Пьезодатчики используются для акустических гитар, так как принцип их работы похож на работу микрофона. Способны взаимодействовать с любым видом струн: металлическими или нейлоновыми.

Технические характеристики

Таблица 1 — Метрологические характеристики

Пьезокерамический датчик

Пьезокерамические датчики ( виброприемники) ускорения обычно имеют малый вес ( 10, 25 Г), что резко снижает влияние этих приемников на точность получаемых показаний

Это обстоятельство имеет особо важное значение при изучении вибраций в области высоких частот.
 . Пьезокерамические датчики обладают тем существенным недостатком, что они крайне чувствительны к изменению температуры окружающей среды

С изменением температуры меняется их гра-дуировочный график в результате изменения пьезомодуля и диэлектрической проницаемости. Этот недостаток может быть исключен тарировкой пьезокерамических датчиков при рабочей температуре, которая, однако, не должна превышать 90 — 100 С.
 

Пьезокерамические датчики обладают тем существенным недостатком, что они крайне чувствительны к изменению температуры окружающей среды. С изменением температуры меняется их гра-дуировочный график в результате изменения пьезомодуля и диэлектрической проницаемости. Этот недостаток может быть исключен тарировкой пьезокерамических датчиков при рабочей температуре, которая, однако, не должна превышать 90 — 100 С.
 

Малогабаритные пьезокерамические датчики давления наряду с рядом достоинств имеют существенный недостаток — высокую чувствительность к изменениям температуры окружающей среды и особенно к изменениям температуры вблизи мембраны датчика.
 

Однако Пьезокерамические датчики обладают тем существенным недостатком, что они крайне чувствительны к изменению температуры окружающей среды, так как с изменением температуры меняется их тарировочный график из-за изменения пьезомодуля и диэлектрической проницаемости. Этот недостаток может быть исключен тарировкой пьезокерамических датчиков при рабочей температуре, которая, однако, не должна превышать 90 — 100 С.
 

Действие пьезокерамического датчика основано на возникновении электрического заряда на рабочих гранях пьезокерамиче-ской пластины при воздействии давления на мембрану датчика.
 

При соударении частиц песка с пьезокерамическим датчиком на его выходе возникает импульс напряжения. Появилась возможность рассчитать также дебиты, которые гарантируют износостойкость элементов оборудования.
 

Для контроля за интенсивностью и частотой излучения использовали пьезокерамический датчик, присоединенный к осциллографу и анализатору спектра.
 

Для контроля ускорения при других видах испытаний используют пьезокерамический датчик ускорения, действие которого основано на свойстве пьезокерамики вырабатывать электродвижущую силу в результате упругих механических деформаций.
 

Первичные преобразователи системы УНИфон, представляющие собой сейсмодатчики и пьезокерамические датчики, монтируются непосредственно на тело трубопровода на обоих берегах водной преграды. Вторичная аппаратура, спроектированная на основе микроконтроллеров, и приемо-передающие устройства размещаются в шкафу или в колодце на одном из берегов.
 

Первичные преобразователи системы УНИфон, представляющие собой сейсмодатчики и пьезокерамические датчики, монтируются непосредственно на тело трубопровода на обоих берегах водной преграды. Вторичная аппаратура, спроектированная на основе микроконтроллеров, и приемо-передающие устройства размещаются в шкафу или в колодце на одном из берегов.
 

Первичные преобразователи системы УНИфон, представляющие собой сейсмодатчики и пьезокерамические датчики, монтируются непосредственно на тело трубопровода на обоих берегах водной преграды. Вторичная аппаратура, спроектированная на основе микроконтроллеров, и приемопередающие устройства размещаются в шкафу или колодце на одном из берегов.
 

Первичные преобразователи системы УНИфон, представляющие собой сейсмодатчики и пьезокерамические датчики, монтируются непосредственно на тело трубопровода на обоих берегах водной преграды. Вторичная аппаратура, спроектированная на основе микроконтроллеров, и приемо-передающие устройства размещаются в шкафу или в колодце на одном из берегов.
 

Первичные преобразователи системы УНИфон, представляющие собой сейсмодатчики и пьезокерамические датчики, монтируются непосредственно на тело трубопровода на обоих берегах водной преграды.