SVEUČILIŠTE U RIJECI
TEHNIČKI FAKULTET
ZAVOD ZA KONSTRUIRANJE U STROJARSTVU
ELEKTRONIČKE KOMPONENTE MEHATRONIČKIH SUSTAVA
Seminarski rad
PIEZOELEKTRIČNI SENZORI
Zlatko Butković
Rijeka, siječanj 2013. 0069044468
1
SADRŽAJ
1. UVOD .............................................................................................................. 2
2. PIEZOELEKTRIČNI EFEKT ............................................................................ 3
3. JEDNOSTAVNI PIEZOELEKTRIČNI SENZOR .............................................. 4
4. PREDNOSTI I NEDOSTACI ............................................................................ 6
5. MATERIJALI KOD PIEZOELEKTRIČNIH SENZORA .................................... 7
6. PODRUČJA PRIMJENE PIEZOELEKTRIČNIH SENZORA .............................. 8
6.1. PIEZOELEKTRIČNI SENZORI PRITISKA .......................................................... 9
6.2. PIEZOELEKTRIČNI AKCELEROMETAR ..........................................................12
LITERATURA ...................................................................................................... 14
POPIS SLIKA ....................................................................................................... 15
2
1. UVOD
Piezoelektrični senzori rade na principu piezoelektričnog efekta (grč. piezo -
gurati). Piezoelektrični efekt je pojava stvaranja električnog naboja na površini nekih
čvrstih tvari prilikom njihove mehaničke deformacije. Prisutan je i obrnuti efekt –
mehanička deformacija materijala kada je na njega primijenjen električni napon.
Otkrili su ga braća Pierre i Jacques Curie 1880. godine. Piezoelektrični efekt
pokazuju mnoge tvari, primjerice kvarc, topaz, minerali iz grupe turmalina, kost,
svila, drvo te umjetni materijali poput raznih vrsta keramike, plastike i kristala. Iako
je dugo nakon otkrića bio samo zanimljiv laboratorijski efekt, s vremenom je
pronašao primjenu u brojnim uređajima. [1]
Prva praktična primjena piezoelektričnog efekta bila je u sonarima tijekom Prvog
svjetskog rata. Nakon toga uslijedilo je detaljnije istraživanje efekta i njegova
primjena. Danas se piezoelektrične efekt koristi u mnogim područjima. Vjerojatno
najrasprostranjenija primjena je u džepnim upaljačima. Kada se upaljač pritisne,
okidač sa oprugom udara u komad piezoelektričnog kristala i uslijed njegove
deformacije stvara se električni potencijal koji izaziva iskru i pali plin. Piezoelektrični
efekt se koristi i u tintnim pisačima za stvaranje mikroskopskih kapljica tinte, zatim
u brizgaljkama common-rail dizelskih motora za precizno doziranje goriva, u
mikrofonima, pojačalima, transformatorima, generatorima itd. Piezoelektrični efekt
ovisi o temperaturi, pa taj efekt opada sa smanjenjem temperature i to cca. 0.3% po
Kelvinu. Curieva temperatura kada će materijal izgubiti svoja piezo svojstva je oko
150 ... 250 °C (upotrebljavaju se od 80 do 150 °C). [1]
3
2. PIEZOELEKTRIČNI EFEKT
Ako se na dielektrični materijal monokristalne strukture djeluje silom F kristalna
rešetka će se deformirati. Uslijed deformacije rešetke javlja se piezoelektricitet čiji
se napon mjeri na elektrodama postavljenim na površini kristala. Količina
elektriciteta zavisi od sile kojom se rešetka deformira:
Q = d∙F gdje je:
F – sila deformiranja
d – konstanta kristala
Napon između elektroda određen je izrazom :
U = Q/C gdje je:
Q – količina elektriciteta
C – kapacitativnost
Kako je p = F/A tada je je Q = d∙p∙A. Kapacitativnost je dana izrazom:
C = (ɛ∙A)/l gdje je ɛ linearna dilatacija. Tada je
� = � ∙ � ∙ �ɛ ∙ �� = � ∙ � ∙ �ɛ
Ako se uvede oznaka g = d/ɛ∙b tada je napon između elektroda:
U = g∙p∙l
Vrijednosti g i d su karakteristike kristala. Piezoelektrični senzori se najčešće koriste
za mjerenje mehaničkih vibracija (piezoelektrični akcelerometri) i kao senzori tlaka.
[1]
4
3. JEDNOSTAVNI PIEZOELEKTRIČNI SENZOR
Jednostavni piezoelektrični senzori se grade u obliku: prizme, diska, cilindra ili
dijela cilindra (slika 1.).
a) b) c) d)
Slika 1. Jednostavni piezoelektrični senzor
a) traka, b) disk, c) cilindar, d) uzdužni segment cilindra [1]
Izlazni napon je pozitivan kada je prizma podvrgnuta sabijanju. Najveća osjetljivost
je kada je maksimalan odnos l/d, tj. kada je piezoelektrik u obliku trake. Traka ima
malu čvrstoću pa se lako lomi pod uzdužnim opterećenjem.
Oblik diska je povoljniji u pogledu čvrstoće. Površina diska se posrebruje kako bi
kontakt između piezoelektrika i priključnih vodova bio što bolji.
Najbolju čvrstoću ima senzor u obliku cilindra, ali ga je tehnološki najteže proizvesti.
Potrebno je da poprečni presjek što manje odstupa od kružnog prstena i da debljina
bude jednaka po cijelom obujmu. Uzdužni segment cilindra ima sva dobra svojstva
cilindra i zbog zakrivljenosti je čvršći od trake.
Nedostaci jednostavnih piezoelektričnih senzora su mali izlazni napon i slaba
mehanička čvrstoća pa se grade višestruki ili složeni senzori (paralelno – serijsko
spajanje više jednostavnih piezoelektričnih senzora slika 2.). [1]
5
a) b) c)
Slika 2. Višestruki piezoelektrični senzor
a) lamelni, b)diskoidni, c) trosegmentni [1]
6
4. PREDNOSTI I NEDOSTACI
Prednosti piezoelektričnih senzora:
• pomak (linearni) ovisi o naponu
• visoke razlučivosti (izmjereno čak 0,01 nm)
• ponovljivosti od oko 1 nm
• visoka opteretivost
• veliki dinamički raspon primjene
• bez mehaničke zračnosti, habanja, i stick-slipa (prekida)
• pomak kod v ≈ 0 zbog karakteristike trenja
• mogu se koristiti u vakuumu.
Nedostaci piezoelektričnih senzora:
• raspon pomaka je ograničen (μm)
• histereza + puzanje→ feedback
• keramički materijal → krhak (lomovi)
• opterećenje na vlak – često su prednapregnuti da bi mogli raditi push-pull
(vlak 5 ... 10% tlaka) – na savijanje, torziju ili tangencijalno)
• stack aktuatori se i savijaju dovodeći do parazitnih pomaka
• 1 ... 12% snage kod dinamičkih aplikacija se gubi u toplini
• svojstva degradiraju s vremenom
• visoka osjetljivost na promjene temperature (kod Curieve temperature
neupotrebljivi)
• potrebni (veliki) amplifikatori
• cijena
7
5. MATERIJALI KOD PIEZOELEKTRIČNIH SENZORA
Dvije važne grupe materijala se koriste kod piezoelektričnih senzora:
piezoelektrične keramike i specijalni kristali. Keramike se proizvode sinteriranjem i
posjeduju piezoelektričnu konstantu, koja može biti dva reda veličine veća nego kod
kristalnih materijala. Nažalost, ova visoka osjetljivost je propraćena lošom
dugotrajnom stabilnošću. Piezoelektrična keramika može se promatrati kao
magnetizirana željezna šipka. Magnetizam se naknadno „unosi“ u materijal i može
se mijenjati s vremenom. Monokristali (kao što su turmalin, kvarc, galijum fosfat –
GaPO4) su drugačiji. U njihovom slučaju je specifična struktura kristalne rešetke
odgovorna za piezo efekt. U principu su kristali manje osjetljivi, ali imaju značajno
višu, gotovo beskonačnu dugotrajnu stabilnost. Neki od materijala koji se koriste –
naročito galijum fosfat i turmalin – imaju izuzetnu stabilnost u širokom
temperaturnom rasponu tako da se mogu koristiti na temperaturama do 1000°C.
Sve piezokeramike i turmalin nisu samo piezoelektrici, oni su i piroelektrici. To znači
da se signal naboja ne oslobađa samo sa promjenom opterećenja, nego i sa
promjenom temperature. Ova karakteristika nije svojstvena kvarcu i galijum fosfatu,
zbog čega su ovi kristali posebno pogodni za mjerenja. [2]
8
6. PODRUČJA PRIMJENE PIEZOELEKTRIČNIH SENZORA
Ovaj princip mjerenja se koristi od 1940-tih, a danas je to sofisticirana tehnologija
sa izuzetnom pouzdanošću tako da se danas piezoefekt uspješno primjenjuje u
mnogim kritičnim aplikacijama, kao što su medicinske, avio i nuklearne tehnologije.
Uspon piezoelektrične tehnologije je zasnovan na brojnim prednostima. Iako su
piezoelektrični senzori elektromehanički sistemi koji reagiraju na pritisak, mjerni
element gotovo da ne trpi nikakvu deformaciju (obično dolazi do savijanja od
nekoliko mikrometara). To je jedan od razloga zašto su ovi senzori toliko robusni i
zašto imaju tako visoku vlastitu frekvenciju i linearnost, čak i u najtežim uvjetima.
Piezoelektrična tehnologija je neosjetljiva na elektromagnetna i radioaktivna
zračenja. Jedan od nedostataka piezoelektričnih senzora je njihova primjena kod
statičkih mjerenja. Statičke sile proizvode određenu količinu naboja na površini
piezoelektričnog materijala. Prilikom rada sa uobičajenim elektronikama i
materijalima koji nisu savršeno izolirani, dolazi do kontinuiranog gubitka naboja, što
proizvodi stalni gubitak signala. Bilo bi pogrešno kada bi pretpostavili da se
piezoelektrični senzori mogu koristiti samo za veoma brze procese pod određenim
uvjetima. Postoje brojne aplikacije gdje se mjerenja odvijaju u kvazi-statičkim
uvjetima, iako je to u svakom slučaju područje tehnologije mjernih traka. Svakako
način na koji se koriste mjerni elementi je veoma različit kod primjene senzora sile
na bazi mjernih traka i kod piezoelektričnih senzora sile. Mjerne trake se instaliraju
na mjerna tijela koja se deformiraju kada se izlažu sili. Tako cjelokupno opterećenje
prolazi kroz tijelo, a samo dio kroz mjerne trake. Zbog krutosti kristala, piezo
tehnologija je zasnovana na činjenici da kompletna sila prolazi kroz sam senzor i
tako imamo pravi mehatronički element. Visoka stabilnost monokristala omogućava
da piezo senzori budu veoma kompaktni. Ova minimalna deformacija kristala pri
nominalnom opterećenju je također idealna za linearnost senzora, budući da mali
pomaci veoma malo utječu na promjenu toka sile. Kada se to kombinira sa
stabilnošću mjernog elementa dobije se senzor sa odgovarajućim stupnjem
sigurnosti od preopterećenja i dugotrajnom stabilnošću. [2]
9
6.1. PIEZOELEKTRIČNI SENZORI PRITISKA
Piezoelektrični senzori tlaka mogu se izvesti u minijaturnom mjerilu, imaju
izvrsne dinamičke značajke te zahvaljujući linearnoj statičkoj karakteristici
omogućuju precizno umjeravanje i veliku točnost mjerenja.
Zasnivaju se na svojstvu nekih kristala na kojima pod djelovanjem sile dolazi do
razdvajanja naboja (slika 3.). Kristal je u biti dielektrik pa se formira naboj
(kapacitet). Kristali moraju biti rezani u točno određenom smjeru sa plohama
kristalizacije. Za točnije mjerenje često se koriste kvarc kao element piezo senzora
jer je vrlo stabilan.[3]
Slika 3. Djelovanje sile na kristal [3]
� = � ∙ �
Q – količina elektriciteta
d – konstanta kristala
Način mjerenja U0 (idealni slučaj): U0 = Q/ C0
C0 – vlastiti kapacitet senzora
Ck – vlastiti kapacitet vodova koje priključujemo da bi mjerili naboj ili napon
nadomjesnoj shemi
Specifični otpor kvarca je velik, ali se zbog R/C (paralelne veze) zanemaruje.
10
Shematski prikaz kapaciteta je prikazan na slici 4.
Slika 4. Shematski prikaz kapaciteta [3]
Na slici 5. prikazan je piezoelektrični senzor tlaka.
Slika 5. Piezoelektrični senzor tlaka [3]
11
Na slici 6. prikazan je visoko osjetljiv senzor pritiska koji se koristi u akustici, kod
dinamičkih ventila, zrakoplovstvu itd. Na slici 7. prikazane su njegove karakteristike
poput osjetljivosti, razlučivosti, maksimalnog tlaka itd.
Slika 6. Visoko osjetljiv senzor pritiska (model 106B) [4]
Slika 7. Karakteristike visoko osjetljivog senzora (model 106B) [4]
12
6.2. PIEZOELEKTRIČNI AKCELEROMETAR
Piezoelektrični senzori koji se koriste za mjerenje mehaničkih vibracija zovu se
piezoelektrični akcelerometri (slika 8.).
Slika 8. Piezoelektrični akcelerometar [3]
Pod utjecajem ubrzanja masa (m0) djeluje na podlogu silom.
�0 = � ��0
fo – vlastita frekvencija
k – konstanta elastičnosti
Piezoelektrični akcelerometri nemaju pokretnih dijelova, osjetljivi su na visoke
temperature i imaju manju preciznost kod niskih frekvencija. [3]
13
Na slici 9. prikazan je minijaturni piezoelektrični akcelerometar.
Slika 9. Minijaturni piezoelektrični akcelerometar (modeli 6061 i 6062) [5]
Na slici 10. prikazane su karakteristike piezoelektričnog akcelerometra (model
6061 i 6062).
Slika 10. Karakteristike piezoelektričnog akcelerometra (model 6061 6062) [5]
14
LITERATURA
[1] Zaimović-Uzunović N., (2006) Mjerna tehnika,
<http://www.unze.ba/download/SkriptaMetrologija.pdf>, Pristupljeno 17. siječnja
2013.
[2] Ličen H., (Datum nepoznat) Piezo efekat i njegova primena,
<http://www.trcpro.rs/dokumentacija/PDF/clanci/PiezoTehnologija.pdf>,
Pristupljeno 17. siječnja 2013.
[3] Antić G., (2009) Piezoelektrični pretvarači i senzori,
<http://sr.scribd.com/doc/119068796/Piezoelektri%C4%8Dni-pretvara%C4%8Di-i-
senzori>, Pristupljeno 17. siječnja 2013.
[4] SENZOR ZINE, (Datum nepoznat), Catalog of Piezoelectric Pressure Sensors
for Dynamic Measurement, < http://www.sensorzine.com/catalog-of-piezoelectric-
pressure-sensors-for-dynamic-measurement-130.html>, Pristupljeno 29. siječnja
2013.
[5] Columbia Research Laboratories, Inc., (Datum nepoznat) Miniature
Acceleromeers,
<http://pdf.directindustry.com/pdf/columbia-research-laboratories/piezoelectric-
accelerometers/37510-82153.html>, Pristupljeno 29. siječnja 2013.
15
POPIS SLIKA
SLIKA 1. JEDNOSTAVNI PIEZOELEKTRIČNI SENZOR A) TRAKA, B) DISK, C) CILINDAR, D) UZDUŽNI
SEGMENT CILINDRA [1] ................................................................................................. 4
SLIKA 2. VIŠESTRUKI PIEZOELEKTRIČNI SENZOR A) LAMELNI, B)DISKOIDNI, C) TROSEGMENTNI [1]5
SLIKA 3. DJELOVANJE SILE NA KRISTAL [3] ............................................................................ 9
SLIKA 4. SHEMATSKI PRIKAZ KAPACITETA [3] .......................................................................10
SLIKA 5. PIEZOELEKTRIČNI SENZOR TLAKA [3]......................................................................10
SLIKA 6. VISOKO OSJETLJIV SENZOR PRITISKA (MODEL 106B) [4] ..........................................11
SLIKA 7. KARAKTERISTIKE VISOKO OSJETLJIVOG SENZORA (MODEL 106B) [4] ........................11
SLIKA 8. PIEZOELEKTRIČNI AKCELEROMETAR [3] ..................................................................12
SLIKA 9. MINIJATURNI PIEZOELEKTRIČNI AKCELEROMETAR (MODELI 6061 I 6062) [5] .............13
SLIKA 10. KARAKTERISTIKE PIEZOELEKTRIČNOG AKCELEROMETRA (MODEL 6061 6062) [5] ....13
Top Related