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.

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

Наименование характеристики

Значение

«Т10000»,

«Т10000К2»,

«Т10000БС»,

«Т10000КБС»

«3Т6000»

«2Т6000»,

«2Т6000Р»,

«2Т6000К»,

«2Т6000КБР»

«Т2000»,

«Т2000Р»

«2Т1000Л»

«Т500»

Диапазон измерений давления, МПа

от 50 до 1000

от 30 до 600

от 30 до 600

от 10 до 200

от 3 до 100

от 1 до 50

Пределы допускаемой приведенной погрешности измерений давления*, %

±2,5

Полярность выходного сигнала

отрицательная

Постоянная времени саморазряда, с, не менее

40

Длительность нарастания выходного сигнала, мс, не более

3

Чувствительность, пКл/МПа, не менее

10

15

17

50

80

100

Собственная частота, кГц, не менее

150

150

180

160

150

120

Пределы допускаемой дополнительной погрешности от изменения температуры окружающей среды в диапазоне рабочих температур, на каждые 10 °С, в долях от пределов допускаемой основной погрешности

0,1

Нормальные условия измерений:

—    температура окружающей среды, °С

—    относительная влажность, %

—    атмосферное давление, кПа

от +15 до +25 от 30 до 80 от 84 до 106

* Погрешность измерений давления приведена к верхнему пределу измерений

Наименование

Значение

характеристики

«2Т1000Л»

«3Т6000»

о

2

Т«

«2Т6000»

«Т2000Р»

«2Т6000Р»

«2Т6000К»

«2Т6000КБР»

5

Т«

«Т10000»

«Э30000И»

«Т10000КБС»

«Т10000К2»

Габаритные размеры, мм, не более:

— высота

37

30

37

37

43

43

25

16

35

38

38

24

25

— диаметр

10

10

10

10

14

14

10

8

12

12

12

12

12

Масса, г, не более

17

17

17

17

24

24

13

12

20

22

22

20

20

Условия эксплуатации — температура окружающей среды, °С

от -60 до +120

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.

Пьезоэлектрические датчики давления ВНИХИ.| Зависимость пьезомодуля d и диэлектрической постоянной е керамики титаната бария от температуры..

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.

Индуктивный датчик давления. 1 — компенсационная обмотка. 2 — рабочая обмотка. 3 — мембрана.| Пьезоэлектрический датчик давления.

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.

Оцените статью:
Оставить комментарий
Adblock
detector