magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

Piezoelektromos gyorsulásmérők

Nagy frekvenciájú és nagy amplitúdójú gyorsulások mérésére elsősorban a piezoelektromos elemek alkalmasak, amelyek között is kiemelkedő szerep jut a longitudinális hatás alapján működő, ún. vastagsági rezgőelemnek. A rezgésmérőkre vonatkozó általános ismeretanyag birtokában [1] az alábbiakban azt vizsgáljuk meg, hogy a valóságos viszonyokat jobban közelítő, elosztott paraméterű modellel leképzett érzékelőrendszerből milyen méréstechnikai, alkalmazástechnikai következtetéseket lehet levonni.

.

 

Fock45 jav 

1. ábra Piezoelektromos gyorsulásmérő működésének elemzése az analóg helyettesítő képek módszere segítségével

 

Az 1.a ábra vázlata szerint a gyorsulásmérő két db villamosan párhuzamosan, mechanikailag sorba kapcsolt piezoelektromos érzékelőből áll. A két érzékelő szembefordítását konstrukciós okok indokolják, ezzel a megoldással könnyebb ugyanis a villamos csatlakoztatás megbízható kivitelezése. Az érzékelőket egy m nagyságú, ún. szeizmikus tömeg terheli. Az ily módon felépített érzékelőrendszert egy mb, nb paraméterekkel jellemzett alaptest csatlakoztatja a mérendő gyorsulást végző felülethez. A 2. ábrán egy tipikus gyorsulásmérő geometriai adatai és anyagjellemzői láthatók, amelyet egy Piezolan-S-jelű kerámiából alakítottak ki.

 

Fock46 jav 

2. ábra Egy piezoelektromos gyorsulásmérő gyakorlati kivitelezésének adatai

 

A szeizmikus tömeg wolfram-karbidból készült (sűrűsége ρ=15∙103 kgm-3). A speciális acélanyagból előállított alaptest tartalmazza a kábelcsatlakozást, a gyorsulásmérő felerősítéséhez egy menetes zsákfuratot és többek között – ha szükséges – egy átmenő furatrendszert a vízhűtéshez.

A gyorsulásmérő – amelyik most a jelátalakítás iránya szerint a direkt piezoelektromos hatás alapján működik – analóg helyettesítő képe az 1.b ábrán látható. Bemenőjele a tér egy rögzített pontjához viszonyított v=a/jω relatív sebesség. A dinamikus modellezés szempontjából fontos nk fajlagos rugóengedékenységet az 1.a ábra alapján azonosíthatjuk. Rajta kívül az nz mennyiségben foglaltuk össze az alábbi rugóengedékenységek soros eredőjét:

nu az alaptest és a mérendő felület közötti,

nc a piezoelektromos érzékelőelemek és a csatlakozó m és mB tömegek közötti,

ne az elektróda,

     • nB az alaptest rugóengedékenysége.

Számszerű értékeiket a 2. ábra táblázata tartalmazza. Már korábban is láttuk, hogy a felületi hatásokból származó elemek értékeit csak becsülni lehet. Az 1.b ábra ismételt átrajzolása után villamos üresjárásban megkapjuk az 1.d ábrán látható helyettesítő képet, amelyből világosan látszik, hogy az nz elembe összevont rugóengedékenységek jelentős mértékben befolyásolják az érzékelő saját rezonanciafrekvenciáját, hiszen a jelátalakító-rendszerre most az ω02=1/m(nz+nl) összefüggés érvényes.

Ezzel az ω0 rezonanciafrekvenciával – a piezokerámiákra jellemző z-irányú longitudinális hatást feltételezve – kiszámítható a rezgésmérő (frekvenciafüggő) átalakítási tényezője a

 

FE 59

 

egyenlet segítségével. Az 1.f ábra diagramja ezt az amplitúdókarakterisztikát ábrázolja az f0 rezonanciafrekvenciánál alacsonyabb frekvenciatartományban. A villamos oldal Thevenin-helyettesítő képéhez (1.e ábra) az ul=Baa üresjárási feszültség mellé a Ci kimenőkapacitást a

 

FE 60

 

összefüggésből számíthatjuk, és megállapítható, hogy a frekvencia növekedésével értéke is növekszik.

A 2. ábra adataival számított és méréssel ellenőrzött amplitúdókarakterisztika, valamint a Thevenin-helyettesítő kép elemeinek értékei láthatók az ábra jobb oldalán. A gyorsulásmérő rezonanciafrekvenciája 28 kHz, amely érték a felületi érintkezésből származó hatások figyelembevétele nélkül akár 2,5-szer nagyobbra is adódna. Mivel gyorsulásmérők esetén a működési frekvenciatartományt úgy kell megválasztani, hogy Ba lehetőleg állandó legyen, támpontul szolgáljon a felső határfrekvenciára mértékadó 3 dB-es érték, ami az 1.f ábra alapján 15 kHz-re adódik.

 

Anyagválasztás

A piezoelektromos gyorsulásmérők anyagválasztásában csak az egymásnak ellentmondó szempontok ésszerű kompromisszumával lehet optimális megoldást találni. A gyorsulásmérők kialakításánál a kvarcon kívül a turmalin és a litium-tantalát egykristályok jönnek még számításba, de a piezokerámiák alkalmazása a méréstechnika ezen területén is igen elterjedt. Ennek az az oka, hogy a gyorsulásmérők miniatürizálása során ily módon sikerült csak a viszonylag nagy érzékenységet megtartani.

A piezokerámiák előnyös tulajdonságával szemben hátrányként kell megemlíteni, hogy a kvarc-, illetve turmalinkristályokkal elérhető 1% végértékre vonatkoztatott linearitási hiba a piezokerámiák esetében csak 3% körüli. Ehhez társul még a piezoelektromos hatáson belül tapasztalható – ferroelektromos tulajdonságból adódó – hiszterézis, ami a ki- és bemeneti jelek közötti amplitúdófüggő fázistoláshoz vezet.

A piroelektromos hatás – mint tudjuk – α-kvarcban elméletileg sem jöhet létre. Azonban látszólagos (pszeudo) piroelektromos hatás – a beépített szerkezeti elemek eltérő lineáris hőtágulása miatt – bekövetkezhet. A turmalin már eleve piroelektromos, de ezt a zavaró hatást egy nagyon szellemes módszerrel sikerült kiküszöbölni. A megoldásban a mérendő gyorsulás csúsztató igénybevételt hoz létre, és a d16=-2d22 tranzverzális csúsztató hatásnak megfelelően a töltések az x-tengelyre merőleges síkon keletkeznek, míg a piroelektomos hatásból származó töltések ezzel szemben a z-tengelyre merőleges síkon lennének mérhetők.

Turmalin és piezokerámiák esetén fontos alkalmazástechnikai kérdés az anyagok szigetelési ellenállásának erős hőmérsékletfüggése. A hőmérséklet növekedésével a szigetelési ellenállás nagyságrendekkel csökken.

A jó linearitási tulajdonságok megtartásával a longitudinális hatás alapján működő α-kvarc esetében az érzékenység növelésének lehetősége a mechanikusan sorba, villamosan párhuzamosan kapcsolt érzékelőelemek számának, valamint a szeizmikus tömegnek a növelése. Az elemek számának növelése technológiai korlátokba ütközik, a szeizmikus tömeg növelése azonban a rezonanciafrekvencia csökkenésének árán hatékony eszköznek látszik. Geológiai alkalmazásokra kifejlesztett gyorsulásmérőkkel ilyen megoldással 1 g méréstartományban a 10-5 g küszöbérték is elérhető. Az érzékenység 10 nCg-1!

Magas – 700…750 °C-ot meghaladó – környezeti hőmérsékleteken (az α-kvarc Curie-hőmérséklete felett) a turmalin és a litium-niobát, illetve speciális piezokerámiák használhatók. A megfelelő érzékelőanyag-választáson kívül a szigetelőanyagok kiválasztására is különös gondot kell fordítani. A teflon (PTFE) helyett kerámiából, üvegből vagy fémoxidból készült szigetelőt kell alkalmazni.

Piezoelektromos gyorsulásmérők fontos alkalmazástechnikai kérdése a mérőfej megfelelő felerősítése a mérendő rezgést végző felületére. A nem kellő gondossággal végzett csatlakoztatás a rezonanciafrekvenciának és egyben a méréstartomány felső frekvenciahatárának a jelentős csökkenését eredményezheti. Ezt a kérdést a cikksorozat rezgésmérésről készült részében [1] részletesen elemeztük.

 

Piezoelektromos szűrők

A piezoelektromos átalakítók gyakorlati alkalmazásának egyikeként mindössze az áttekintés szintjén foglalkozunk az elektromechanikus szűrők kialakításával és fontosabb alkalmazástechnikai kérdéseivel.

 

Fock47 jav 

3. ábra Piezoelektromos szűrők

 

A 3. ábrán látható elemek a korábbi elemzésekből már ismertek. Üzemviteli szempontból mechanikailag terheletlen, rezgőképes eszközök, amelyek villamos oldali bemeneti impedanciája frekvenciafüggő, és ebben a minőségükben azzal a speciális tulajdonsággal rendelkeznek, hogy a rezonanciafrekvencia környezetében a 2Δf sávszélességük rendkívül keskeny. Sokkal keskenyebb, mint amit tisztán villamos elemekkel meg lehetne valósítani. Hálózatelméleti szempontból ezek az eszközök villamos kétpólusok, amelyeknek az elérhető jósági tényezőjük piezokerámiák esetében 300, α-kvarcnál pedig 105 is lehet. Alkalmazásuk speciális, nagyfrekvenciás áramkörökben (ún. reaktanciahálózatokban) kikerülhetetlen, kiváló minőségű, nagy meredekségű, sáváteresztő frekvenciakarakterisztikát lehet segítségükkel megvalósítani.

Az ábrán látható modellek a lehetséges kialakításoknak csak egy részét jelentik. Mivel az előző fejezetekben is ilyen alakú elemeknek az alkalmazásával foglalkoztunk, ezért most is csak ezekről az elemekről lesz szó.

A 3. ábra bal oldalán egy α-kvarcból speciális irányítottsággal kivágott prizmatikus lapkát látunk, amelyik azzal az előnnyel rendelkezik, hogy piezoelektromos együtthatója ebben a kivágási irányban gyakorlatilag hőmérséklet-független. A kivágási iránynak a változtatása (koordináta-transzformáció) az anyagjellemzők megváltozásához vezet, amelynek α-kvarcra a -5°-os x-metszet esetében az 1. táblázatban látható értékeket veszik fel. Az elforgatás módosító hatásának a szemléltetésére a táblázat jobb oldalán feltüntettük a kristálytani tengelyek által definiált értékeket is. Piezoelektromos szempontból a rezgőelem tranzverzális működésű. 

 

10. táblázat korr

1. táblázat Az elforgatás hatása az-kvarc anyagjellemzőire.

                    A -5°-os -metszetben a piezoelektromos együttható

                    hőmérséklet-független

 

A 3. ábra jobb oldalán egy Piezolan-F anyagból készült radiálrezonátor látható. Hullámmechanikai tulajdonságaival korábban nem foglalkoztunk, a hengerkoordináta-rendszerben végzendő számítások viszonylag nehezen követhetők, de bebizonyítható, hogy a mechanikai modellezéshez alkalmazott elosztott paraméterű struktúrája alakilag megegyezik a piezoelektromos hossz- vagy vastagsági rezgőkkel Az átalakító a z-tengely irányú gerjesztés hatására radiális irányban rezeg (tranzverzális hatás).

Az összehasonlítás érdekében mindkét elem f0 rezonanciafrekvenciája azonos, geometriai méreteik az ábrán láthatók. Az elosztott paraméterű hullámvezetők rezonanciafrekvencián érvényes analóg helyettesítő képei struktúrában teljes hasonlóságot mutatnak, az áramköri elemek értékeit szintén az ábrákon tüntettük fel. Alkalmazástechnikai szempontból meghatározó a Δω/ω0 sávszélesség, ami

• α-kvarc rezonátor esetében (-5°-os x-metszet): Δω/ω0=2,9·10-3

• Piezolan-F kerámia felhasználásával pedig: Δω/ω0=2,7·10-2

 

Folytatjuk!

 

Szerző: Dr. Fock Károly

 

fock.karoly@gmail.com

 

 



[1] Dr. Fock K.: A folyamatműszerezés érzékelői, Energiaátalakulások szilárd testekben – 6, Magyar Elektronika 2011/10, 72 – 75 old.

 

 

   
Advertisement