Senzor de presiune piezoelectric

1. Senzor de presiune piezoelectric MindrilaBogdan

2. Introducere • Anumite cristale sub influenta stresului mecanic se polarizeaza electric. Pierre si Jacques Curie, au descoperit acest fenomen, cunoscut sub numele de efect piezoelectric, in 1880. Ei au stabilit ca polarizarea cristalului este proportionala cu stresul aplicat. Pierre Curie Jacques Curie

3. Aplicarea unui stres mecanic pe doua suprafete opuse ale cristalului genereaza un potential electric. De asemenea, aplicarea unui potential electric pe cele doua suprafete opuse da nastere la un fenomen cunoscut sub numele de efect piezoelectric.

4. Efectul piezoelectric Figura 1. Relatiile dintre proprietatile electrice si mecanice Efect electromecanic (Piezoelectricitatea) Direct Stres Camp electric Solicitare Deplas are Contrar Permitivitate Elasticitate R., Evaristo D.C., Ricardo. (2004) Electrical properties of Polymers. Marcel Dekker, Inc.

5. Materiale Cristalele piezolectrice sunt din diverse materiale. Aceste materiale sunt: • Berlinita (AIPO4) • Trestia de zahar • Cuart • Sare rochelle (KNaC4H4O6·4H2O) • Topaz (Al2SiO4(F,OH)2) • Grupul de minerle turmaline. • Os • Tendon Cuart • Matase • Lemn • Email Topaz • Dentina Turmalina

6. Aplicatii Figura 2. Aplicatii piezoelectrice si piroelectrice ale polimerilor electroactivi din perioada 1999 - 2004 S.B. lang, S. Muensit (2006) Appl. Phys. A 85, 125–134

7. Configuratii de material Configuratiile de material sunt: • Compresie • Incovaiere • Forfecare

8. Configuratii de material • Designul de compresie prezinta trasaturi de rigiditate ridicata, facandu-l util pentru aplicatii in senzori de forta si presiune. • Simplitatea de proiectare la încovoiere este compensata prin gama sa de frecventa îngusta. • Configuraratia de tip forfecare este utilizata de obicei în accelerometre, deoarece ofera un amestec bine echilibrat de game largi de frecvente, sensibilitatea scazută la solicitarea din baza şi sensibilitate scăzutala intrarile termice.

9. Senzor de presiune piezoelectric Senzorul piezoelectric de presiune masoara • presiuni dinamice; • turbulenta; • suflu balistic si de la motoarele cu combustie Caracteristici: • timp de raspuns rapid; • robustete; • rigiditate mare; • domeniu extins; • capacitatea de a măsura presiune cvasi-statica

10. Figura1. Sectiunea transversala a unui senzor cu cuart

11. Atunci cand cristalul este stresat este generata o sarcina. Aceasta impedanta inalta de iesire trebuie dirijata printr-un cablu special de zgomot redus(ecranat) la un amplificator de convertire a impendantei, amplificator de tensiune. • Functia principala a amplificatorului de tensiune este de-a converti impedanta inalta de iesire catre un semnal de tensiune de impedanta mica pentru inregistrarile propuse. • Utilizarea cablurilor speciale cu zgomot redus este necesara la procedeul de incarcare a senzorilor de presiune. Standard, 2 fire, sau cablul coaxial , atunci cand este flexat, genereaza o sarcina intre conductori . Acest lucru este mentionat ca zgomotul triboelectric si nu poate fi deosebit de sarcina de iesire al senzorului. Cabluri de zgomot au un lubrifiant special de grafit între dielectrice si scutul impletit, care minimizeaza efectul triboelectric si imbunatateste calitatea semnalului sarcini de ieşire al senzorului.

12. Figura 2 Schema modelului sistemului de incarcare Figura 3 Modelul sistemului de incarcare

13. Senzori de presiune ICP de impedanta mica cu cuart • Senzori de presiune, ICP includ un amplificator microelectronic incorporat de tip MOSFET pentru a converti impedanţa inalta de iesire intr-un semnal de tensiune de impedanta joasa. Un senzor ICP este alimentat de la o sursa de curent constant si poate functiona prin cabluri coaxiale sau panglici lungi fara sa degradaze semnalul. Joasa impedanta a semnalului de tensiune nu este afectata de zgomotul triboelectric din cablu sau de rezistenta de izolatie

14. Figura 4. Schema unui sistem cu senzor ICP

15. Pentru unele medii severe, utilizarea unui sistem hibrid , folosind modul de incarcare a senzorului de presiune împreuna cu un incarcator in miniatura sau un amplicator de tensiune si o sursa ICP conditionata, poate sa ofere economii. Figura 5 prezinta diverse configuratii de sisteme complete in “2-fire” • Figura 5

16. Polaritatea • Atunci cand o presiune pozitiva este aplicata unui senzor ICP, senzorul produce o tensiune pozitiva. Polaritatea modului de incarcare a senzorului de presiune este exact opusul: atunci cand este aplicta o presiune pozitiva, senzorul produce o iesire negativa. Sarcina de iesire a senzorului este frecvent folosita cu un amplificator extern de sarcina pentru a inversa semnalul.

17. Raspuns de inaltafrecventa Figura 6

18. Raspuns de inaltafrecventa • Cei mai multi senzori de presiune piezoelectrici sunt construiti fie cu modul de comprimare a cristalului de cuart preincarcat intr-o carcasa rigida sau din cristale de turmalina libere. Acest design ofera senzorului timp de raspuns de ordinul microsecundelor si frecvente de rezonanta in sutele de kHz, cu depasiri si sunete minime. Diametrele mici ale difragmei asigura rezolutia spatiala a undelor de soc inguste. • Cristalul de cuart al unui sensor de presiune genereaza o sarcina atunci cand este aplicata o presiune. Cu toate aceste chiar daca rezistenta electrica de izolatie este mica, sarcina va tinde catre 0. Rata cu care sarcina ajunge la 0 este dependenta de rezistentei electrica de izolatie. • In modul de incarcare a senzorului de presiune uitlizand un amplificator de tensiune, rata scurgeri este determinata de valorile capacitatii si rezistentei din sensor, de cablu de zgmot redus. In cazul in care pentru incarcarea senzorului este folosit un amplificator de sarcina, rata de scurgere este determinat de feedbackul electric al rezistentei si condenstorului din amplificatorul de sarcina.

19. Constanta timpului de descarcare - DTC • Valoarea capacitati electrice a sistemului (in farads), inmultita cu valoarea rezistentei electrice (in ohmi) este numita cosntanta timpului de descarcare – DTC (in secunde). • . DTC unui sistem se refera la monitorizarea fecventelor joase a capabilitati unui sistem. • Un DTC mare este folositor deoarece permite operatiuni cvasi-statice in timpul calibrari sau masurarea unor impulsuri de presiune de lunga durata.

20. DTC in senzori de presiune ICP • Atunci cand un senzor ICP este supus unei functii pas de intrare, o cantitatea de sarcina, Δq, este produsa proportional cu intrarea mecanica. Tensiunea de iesire este ΔV= Δq/C unde C este capacitatea totala a elementrului de detectare, amplificatorul, si condensatorul variat. Acesta tensiune este apoi amplificatate de amplificatorul MOFSET pentru a determina sensibilitatea finala a senzorului. Dupa pasul de intrare initial, semnalul de sarcina descreste conform ecuatiei q= Qe(-t/RC) Figura 7 Descresterea exponentiala a semnalului piezoelectric

21. Iesireatipica a unuisistem piezoelectric • Iesirea caracteristica a sistemelor cu senzor de presiune piezoelectric este ca cea a unui sistem AC cuplat, unde semnale repetitive descresc pana cand suprafetele de deasupra si de desuptul linie de baza sunt egale. • Deoarece nivelurile de marime ale evenimentului monitorizat fluctueaza, iesirea ramane stabilizata in jurul liniei de baza cu zone pozitive si negtive ale curbei ramase egale Figura 8 Puls repetitiv, Semnal AC

22. Instalarea • Montarea precisa a senzorului de presiune este esentiala pentru o buna masurare. • Exista doua tipuri de montari: flush si reces. • Montarea de tip flush al unui senzor intr-o placa sau zid este uneori dorita pentru a minimiza turbulentele, pentru a evita efectul de cavitate, sau pentru a evita o crestere a camerei in volum. • Montarea de tip recess este dorita in aplicatii in care capatul diafragmei senzorului de presiune este probabil de a fi supus fulgerarilor de temperaturi excesive sau impregnari cu particule.

23. Figura 9. Montarea de tip flush Figura 11: Montarea de tip recess

24. Cablusiconstantanivelului de curent • Frecventa maxima care poate fi transmisa printr-o lungime data de cablu este o functie atat de capacitanta cablului cat si de raportul dintre tensiune semnalui de varf si curentul disponibil de la conditionatorul de semnal conform functiei.

25. Nomograful furnizeaza o simpla metoda grafica pentru a obtine frecventa maxima asteptata a unui sistem ICP de masurare. Varful maxim al amplitudini semnalului de tensiune, capacitatea cablului si curentul constant furnizat trebuie cunoscute sau presupuse.

26. Exemplu de aplicatie