Открыть сервис
Главная → Блог → Пьезоэлектрический акселерометр

Пьезоэлектрический акселерометр

Пьезоэлектрический акселерометр — это тип акселерометра, в котором чувствительным элементом является пьезоэлектрический материал, генерирующий электрический заряд пропорционально приложенному ускорению. Относится к классу инерциальных датчиков механических величин и широко применяется для измерения вибрации, удара и динамических ускорений в промышленности, науке и технике.

Принцип действия

Работа пьезоэлектрического акселерометра основана на прямом пьезоэлектрическом эффекте — способности некоторых кристаллических и поликристаллических материалов (например, кварца, цирконата-титаната свинца (ЦТС), турмалина) поляризоваться под действием механического напряжения. В типовой конструкции датчика инерционная масса (сейсмическая масса) механически связана с пьезоэлементом. При воздействии ускорения на корпус акселерометра масса стремится сохранить своё положение, создавая силу, деформирующую пьезоэлемент. Возникающий на электродах пьезоэлемента электрический заряд прямо пропорционален ускорению (в пределах линейности датчика). Для измерения заряда требуется внешний усилитель — электрометрический усилитель или преобразователь «заряд-напряжение».

Важной особенностью является то, что пьезоэлектрический акселерометр не измеряет постоянное (статическое) ускорение, поскольку заряд, генерируемый пьезоэлементом, со временем стекает через входное сопротивление усилителя. Поэтому такие датчики пригодны только для измерения переменных ускорений, вибраций и ударов. Нижняя граница частотного диапазона определяется постоянной времени цепи «пьезоэлемент — усилитель».

Конструкция и виды

По способу крепления пьезоэлемента

  • Сжимающего типа (compression mode): пьезоэлемент зажат между основанием и инерционной массой. Обеспечивает высокую жёсткость и широкий частотный диапазон.
  • Изгибного типа (bending mode): пьезоэлемент выполнен в виде балки или пластины, на которую действует масса. Чувствительность выше, но жёсткость ниже.
  • Сдвигового типа (shear mode): пьезоэлемент работает на сдвиг. Обеспечивает лучшую развязку от деформаций основания и более низкий уровень шума. Наиболее распространён в современных прецизионных датчиках.

По типу выходного сигнала

  • С зарядовым выходом (charge mode): датчик выдаёт электрический заряд (в пикокулонах на единицу ускорения, пКл/g). Требует внешнего усилителя заряда.
  • С выходом по напряжению (voltage mode, IEPE — Integrated Electronics Piezo-Electric): в корпус датчика встроен миниатюрный усилитель, преобразующий заряд в напряжение. Питание усилителя осуществляется по сигнальному кабелю (обычно током 2–20 мА). Стандарт IEPE (также известен как ICP, Deltatron, Isotron) является наиболее распространённым в промышленности.

По числу осей измерения

  • Одноосевые: измеряют ускорение вдоль одной оси.
  • Трёхосевые: содержат три чувствительных элемента, расположенных ортогонально, и позволяют измерять вектор ускорения в трёх измерениях.

Основные характеристики

  • Чувствительность: отношение выходного сигнала (заряда или напряжения) к ускорению. Измеряется в пКл/g или мВ/g. Для IEPE-датчиков типичные значения — от 1 до 100 мВ/g.
  • Частотный диапазон: диапазон частот, в котором чувствительность датчика отклоняется от номинальной не более чем на заданную величину (обычно ±5% или ±3 дБ). Для промышленных датчиков — от 0,5–1 Гц до 5–15 кГц, для высокочастотных — до 30–50 кГц.
  • Динамический диапазон: максимальное измеряемое ускорение (g max) — от десятков до сотен тысяч g.
  • Резонансная частота: собственная частота механической системы датчика. Обычно в 3–5 раз выше верхней границы рабочего частотного диапазона.
  • Поперечная чувствительность: чувствительность к ускорению, перпендикулярному оси измерения. Хорошие датчики имеют поперечную чувствительность менее 5%.
  • Температурный диапазон: от -50 до +250 °C и выше для специальных исполнений.
  • Уровень собственного шума: определяет минимальное измеряемое ускорение.

Преимущества и недостатки

Преимущества

  • Широкий частотный и динамический диапазон.
  • Высокая надёжность и долговечность (отсутствие подвижных частей, кроме массы).
  • Возможность работы в экстремальных условиях (высокие температуры, радиация).
  • Компактность и малая масса.

Недостатки

  • Непригодность для измерения статических ускорений.
  • Необходимость внешнего усилителя (для зарядовых датчиков) или специализированного источника питания (для IEPE).
  • Чувствительность к деформациям основания и акустическим шумам (для некоторых конструкций).
  • Относительно высокая стоимость по сравнению с ёмкостными акселерометрами.

Применение

Пьезоэлектрические акселерометры являются основным инструментом виброизмерений в различных отраслях:

История

Пьезоэлектрический эффект был открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. Первые практические применения пьезоэлектрических датчиков для измерения давления и ускорения относятся к 1920-м годам. В 1940-х годах, с развитием авиации и ракетной техники, возникла потребность в компактных и надёжных датчиках вибрации. В 1950-х годах компания Endevco (США) начала серийный выпуск пьезоэлектрических акселерометров. В СССР разработка и производство таких датчиков велись в НИИ физических измерений (г. Пенза), на заводе «Измеритель» (г. Минск) и других предприятиях. В 1960-х годах появились датчики с интегрированным усилителем (IEPE), что значительно упростило их применение. В настоящее время пьезоэлектрические акселерометры производятся десятками компаний по всему миру, включая PCB Piezotronics, Bruel & Kjaer, Dytran, Endevco, Kistler, а также российские предприятия: ООО «ГлобалТест», ООО «НПП «Вибро-М», ЗАО «Вибро-прибор».

Интересные факты

  • Пьезоэлектрические акселерометры способны измерять ускорения до 100 000 g и более, что позволяет регистрировать удары пули о мишень или взрывные процессы.
  • Кварцевые пьезоэлементы обладают исключительной стабильностью характеристик во времени и используются в эталонных (образцовых) акселерометрах.
  • Некоторые модели имеют встроенный фильтр нижних частот для подавления высокочастотных шумов.
  • Для измерения вибраций на вращающихся объектах (например, на лопастях турбин) используются беспроводные пьезоэлектрические акселерометры с телеметрической передачей данных.

Источники

  • ГОСТ Р ИСО 5348-2002 «Вибрация и удар. Механическое крепление акселерометров».
  • ГОСТ 30296-95 «Аппаратура для измерения вибрации. Общие технические требования».
  • Harris, C. M., & Piersol, A. G. (2002). Harris' Shock and Vibration Handbook. McGraw-Hill.
  • Сергеев, В. А. (2010). Пьезоэлектрические акселерометры: теория и практика. М.: Машиностроение.
  • Техническая документация компаний PCB Piezotronics, Bruel & Kjaer, Endevco.

Похожие материалы

Загружаем BFOmetr…