11049 Obraz6

67

Czujniki przyspieszenia i drgań Zasady pomiarów

Aktualne trendy wskazują jednoznacznie na zastosowanie miniaturowych czujników wykonanych techniką mikoromechaniki powierzchniowej (MMP) z pojemnościowym przetwarzaniem sygnału. Czujniki tego typu dzięki hermetycznej obudowie zapewniają wpływ jedynie geometrycznych parametrów materiału na ich pracę. W czujnikach tych występuje również bardzo mała zależność od innych stałych materiałowych i mały wpływ innych wielkości, np. temperatury.

W czujnikach tego typu elektronika zastosowana w miejscu pomiaru rzeczywiście chroni przed szkodliwymi i groźnym wpływami elektromagnetycznymi występującymi przy tym rodzaju elektrycznego przetwarzania. Buduje się wprawdzie ekstremalnie małe kondensatory pomiarowe, jednak ich osiągalna zmienność pojemności elektrycznej (zwykle o ok. ± 25%,) nie osiąga wartości wystarczających ze względu na wpływ przyspieszenia.

Korzyścią tej techniki są zarówno porównywalnie małe zapotrzebowanie prądu, jak również możliwość wprowadzenia układu zasilania pola sił elektrostatycznych (na elektrodach pomiarowych lub dodatkowych) oraz układu regulacji położenia.

9

Układy mierzące naprężenia mechaniczne

Podczas gdy wszystkie inne sposoby przetwarzania przedstawione w tablicy 2 znajdują już rozmaite zastosowania, to przetworniki piezoelektryczne w samochodach (przewidziane jako piezoelektryczne czujniki kąta obrotu) stosuje się tylko jako czujniki przyspieszenia. Dlatego też ich zasada działania zostanie tu dokładniej objaśniona. Próbki materiału piezoelektrycznego pod działaniem naprężeń mechanicznych wywołanych zewnętrznymi siłami F (rys. 3) na swej powierzchni zaopatrzonej w elektrody wytwarzają elektryczny ładunek Q. Materiały krystaliczne (np. kryształy kwarcu) mają naturalną właściwość do tego typu zjawisk. Materiały wytworzone sztucznie (np. piezo-ceramiczne) muszą być w tym celu najpieiw polaryzowane w polu elektrycznym o dużym natężeniu.

Do opisu efektu piezoelektrycznego stosuje się, podobnie jak do materiałów magnetycznych, pojęcie temperatury Curie, powyżej której efekt zanika (w przypadku kryształów

jest to efekt odwracalny, natomiast w przypadku materiał ów sztucznych nieodwracalny zanik).

Taka „depolaryzacja” w piezoceramikach może być wywołana także mechanicznie, poprzez intensywne wstrząsy, które powodują, że krystality w materiale znów powracają do pierwotnych, nieuporządkowanych położeń. O ile temperatura Curie w powszechnie używanych materiałach ceramicznych wynosi około 340°C, o tyle w odniesieniu do kwarcu można uzyskać dla szczególnych jego postaci nieco większą wartość (440°C). Aby uniknąć depolaryzacji podczas eksploatacji, należy utrzymywać temperaturę na znacznie niższym poziomie niż temperatura Curie. Zwykle bezpieczna granica wynosi 160°C.

Oprócz materiałów ceramicznych właściwości piezoelektryczne wykazują także specjalne cienkie folie z tworzyw sztucznych.

W przeciwieństwie do materiałów krystalicznych sztucznie wytwarzane materiały piezoelektryczne, są używane wyłącznie w samochodach. Są to materiały bardzo tanie w produkcji. Ich właściwości w zastosowaniu do czujników są jednak wyraźnie gorsze (wpływ temperatury, histereza, odporność na starzenie, rozrzut czułości, rezystancja wewnętrzna itd.) niż materiałów krystalicznych. Niemal wszystkie materiały otrzymywane sztucznie wykazują niepożądany i bardzo wyraźny „efekt piroelektryczny”. Polega on na tym, że wskutek zmian temperatury materiały te wytwarzają ładunek powierzchniowy, który nakłada się na ładunek wytwarzany podczas oddziaływań siłowych. Wytworzone ładunki nie pozostają jednak stale podczas trwania oddziaływań siłowych lecz przepływają przez zewnętrzną rezystan-

Efekt piezoelektryczny

co

o

LU

<

CO

Rysunek 3

1    - elektrody

2    - próbka piezoelektryczna / - długość

A - powierzchnia przekroju próbki F - siła O - ładunek U - napięcie e- przenikalność dielektryczna (stała dielektryczna) d - stała zdolności piezoelektrycznej (tworzenia ładunku)