¿Como funcionan los Piezoeléctricos? Teoría General. Piezoelectricidad

 

Piezoelectricidad

Para generar una señal de salida útil, los sensores se basan en el efecto piezoeléctrico. ("Piezo" es un término griego que significa "apretar".) Cuando los elementos piezoeléctricos están tensas por una fuerza externa, la carga eléctrica se acumula en las  superficies desplazadas opuestas. La Figura 1 ilustra el desplazamiento de la carga eléctrica debido a la desviación de la red en un cristal de cuarzo natural piezoeléctrico. Los círculos más grandes representan átomos de silicio, mientras que los más pequeños representan oxígeno. Cuarzo cristalino, ya sea en su estado natural o de alta calidad, forma reprocesado, es uno de los materiales más sensibles y estable piezoeléctrico.

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Además de los cristales de cuarzo, PCB, también utiliza el hombre, policristalino, piezocerámicas. Estos materiales, que son obligados a convertirse en piezoeléctricos por la aplicación de un campo eléctrico de gran tamaño, produce una salida de carga extremadamente alta. Esta característica es ideal para aplicaciones con sistemas de medición del ruido. Otras de las ventajas / desventajas se muestran en la Tabla 1, donde se muestra una comparación de cada material piezoeléctrico.

Diferentes tamaños y formas de los materiales piezoeléctricos se pueden utilizar en sensores piezoeléctricos. Actuando como verdaderos resortes de precisión, las configuraciones de elementos diferentes se muestra en la Figura 2, ofrecen varias ventajas y desventajas. (El rojo representa los cristales piezoeléctricos, mientras que las flechas indican cómo el material se destaca. Los Acelerómetros suelen tener una masa sísmica, que está representada por el color gris. Una descripción más completa de las estructuras de sensor, se da en la siguiente sección.) La compresión características de diseño de alta rigidez, por lo que es útil para la aplicación de la presión de alta frecuencia y sensores de fuerza. Su desventaja es, que es algo sensible a las oscilaciones térmicas. La simplicidad del diseño a la flexión se ve compensado por su estrecho rango de frecuencias y capacidad de supervivencia de sobrecarga bajo. La configuración de corte se suele utilizar en los acelerómetros, ya que ofrece una mezcla bien equilibrada de la amplia gama de frecuencias, baja sensibilidad fuera de eje, baja sensibilidad a la cepa de base y una baja sensibilidad a la potencia térmica.

Figura 2: Configuraciones de Materiales

Con valores de rigidez en el orden de 15E6 psi (N/m2 104E9), que es similar a la de muchos metales, materiales piezoeléctricos producir un alto rendimiento con muy poco esfuerzo. En otras palabras, los elementos sensores piezoeléctricos, tienen prácticamente ningún desvío y se refieren a menudo como dispositivos de estado sólido. Es por esta razón que los sensores piezoeléctricos son tan resistentes y la linealidad característica excelente en un amplio rango de gran amplitud. De hecho, cuando se combina con acondicionadores de señal se diseñan adecuadamente, los sensores piezoeléctricos, suelen tener un rango de amplitud dinámica (es decir: rango de medición máximo de ruido) en el orden de los 120 dB. Esto significa que un acelerómetro solo puede medir los niveles de aceleración tan bajo como 0,0001 g de hasta un máximo de 100 g.

Una nota final importante de los materiales piezoeléctricos, es que sólo se puede medir eventos dinámicos o cambiantes. Los Sensores piezoeléctricos, no son capaces de medir un evento continuo estático, como sería el caso de la guía inercial, la presión barométrica o medidas de peso. Mientras que los eventos estáticos provocará una producción inicial, esta señal se desintegra poco a poco (o drena) basado en el material piezoeléctrico o el tiempo de la electrónica adjunta constante. Este tiempo corresponde constante con un filtro de paso alto como orden primera y se basa en la capacidad y la resistencia del dispositivo. Este filtro de paso alto en última instancia, determina la baja frecuencia de corte o límite de medición del dispositivo.

Estructuras:

Una representación de un grupo típico de presión y un sensor de aceleración se muestra en la Figura 3. (El color gris representa la estructura de la prueba. El color azul corresponde a la caja del sensor. Los cristales piezoeléctricos son de color rojo. El electrodo negro es donde la carga de los cristales se acumulan antes de que está condicionado por la amarilla, la micro-circuito. El Acelerómetro También incorpora una masa que se muestra por el color verde.) Tenga en cuenta que se diferencian muy poco en la configuración interna. En los acelerómetros, en que el movimiento a medida, la masa sísmica invariante, 'M', se ve obligado por los cristales para seguir el movimiento de la base y estructura a la que se adjunta. La fuerza resultante en los cristales se puede calcular fácilmente usando la segunda ley de Newton del movimiento: F = ma. Los Sensores de presión y la fuerza, son casi idénticos y se basan en una fuerza externa a la tensión de los cristales. La principal diferencia es que los sensores de presión utilizan un diafragma para recoger la presión, que es simplemente la fuerza aplicada sobre un área.

Figura 3: Construcción del sensor

Debido a su similitud, los sensores diseñados para medir un parámetro específico, son también algo sensibles a otros insumos. Al minimizar su sensibilidad a los eventos no deseados, los sensores pueden medir con más precisión sus parámetros previstos. Por ejemplo, sofisticados sensores de presión, suelen utilizar un elemento de compensación para reducir su sensibilidad a la aceleración. Otros sensores se utilizan en amplificadores de compensación térmica, para reducir el coeficiente de sensores térmicos en general. Finalmente, los acelerómetros utilizan alternativas de corte estructurado, que son  elementos de detección para reducir los efectos de oscilaciones térmicas, un movimiento transversal y la tensión de base.

Acondicionamiento de Señal:

Después de que el elemento sensor produce una salida probablemente deseable, esta señal debe ser acondicionado antes de ser analizada por el osciloscopio, el analizador, el registrador o el dispositivo de lectura entre otros. Como se muestra en la Figura 4, este procesamiento de la señal se puede realizar por dos métodos diferentes: (1) interno para el sensor por un circuito de microelectrónica, o bien, (2) externos al sensor en un "recuadro negro". (PCB utiliza la marca registrada ICP ® para referirse a los sensores que incluyen incorporado en la microelectrónica. Sensores sin electrónica se refiere típicamente como sensores de modo de carga.)

Figura 4: Sistemas de sensores

Estos circuitos de procesamiento analógico cumplen las mismas funciones generales que incluyen: (1) la conversión a una impedancia de útiles, bajo, señal de tensión, (2) amplificación de la señal / atenuación y filtrado (3). Sin embargo, es importante tener en cuenta que la ubicación del circuito pueden ser fundamentales para el buen funcionamiento del sistema de detección. Una descripción más detallada de cada método.

El sensor de PIC ® se discutió por primera vez. Este concepto ha experimentado un alto grado de mejora técnica, ya que su avance en 1967. Es decir, los circuitos se vuelven más pequeños, los precios de los componentes se han reducido y las capacidades de procesamiento de señal se han incrementado como resultado de la miniatura de circuitos integrados y resistencias mirco hi-meg. Incluso con estas mejoras, la intención original de la idea no ha cambiado ... la sencillez y la facilidad de uso. Este sistema utiliza dos hilos de un conductor común de alimentación / señal y un conductor adicional para la tierra de la señal. Los circuitos integrados son de carga en miniatura o amplificadores de voltaje en función del tipo de elemento de detección. Poder de estos componentes por lo general proviene de un 18 a 30 VDC, 2 mA de corriente de suministro constante. (Aparte del precio, conveniencia y / o características, no hay ninguna ventaja técnica de tener una fuente constante de energía actual, que es externo o integrado en el dispositivo de lectura.) Un esquema detallado del sistema se muestra en la Figura 5.

Figura 5: ICP ® System Sensor

Las características de este sistema son: (1) incorporado en la microelectrónica producir una señal de baja impedancia, el voltaje compatible con la mayoría de equipos de lectura, (2) sólo requiere una simple, fácil de usar acondicionador de señal de corriente constante que se traduce en un costo más bajo por canal , (3) de la señal es capaz de ser transmitida a través de cables largos a través de entornos hostiles, sin pérdida de calidad de la señal, (4) temperatura de funcionamiento del circuito generalmente limitada a 250 F (121 ° C) o, a veces 325 F (154 C), (5 ) con las funciones ordinarias de dos conductores coaxiales o cables de par trenzado, y (6) características del sensor (la sensibilidad y la gama de frecuencias) se fijan en el sensor y son independientes de la tensión de alimentación.

Los Sensores de modo de carga utilizan la misma estructura mecánica de detección, al igual que los sensores de ICP ®, sin embargo, el sistema electrónico de procesamiento de señales se colocan externamente. Desde integrado, micro-circuitos que no se había desarrollado todavía, los primeros sensores piezoeléctricos, que se desarrollaron en la década de 1950, opera bajo este principio.Estos sistemas de carga a menudo eran difíciles de funcionar correctamente y han sido tradicionalmente caros como consecuencia del amplificador de carga externa sofisticados.(Alternativa, un menor costo en la línea de dispositivos son cada vez más popular.) Hoy en día, los sensores de modo de carga normalmente sólo se utilizan en ambientes donde la temperatura se prohíbe el uso de sensores con una función de la electrónica.

Al igual que uno podría esperar, el modo de carga sistemas ofrecen ventajas y desventajas, que incluyen: (1) sensor emite una señal de alta impedancia que requiere de acondicionamiento antes de ser analizadas, (2) requiere que el acondicionador de señal externa (amplificador de laboratorio de carga, en línea de código fuente seguidor, etc ..), (3) de la señal de alta impedancia tiene el potencial de estar contaminados por las influencias ambientales, tales como el movimiento del cable, las señales electromagnéticas e interferencias de radio frecuencia, (4) que la electrónica son externos, algunos modelos son capaces de funcionamiento hasta 1000 F (540 C), (5) requiere especial bajo nivel de ruido de cableado, y (6) características del sensor (sensibilidad y rango de frecuencia) son variables y pueden ser a distancia por los componentes de conmutación en el acondicionador de señal externa.

Conclusión:

Los Sensores piezoeléctricos ofrecen capacidades únicas que no se encuentran normalmente en otras tecnologías de detección. Como hemos comentado, hay ciertas ventajas (como la frecuencia de ancho y rango de amplitud) y desventajas (no hay capacidad de medición estática) en función de la aplicación en particular. Por lo tanto, al elegir una determinada tecnología de sensor o el sensor, es importante prestar mucha atención a las especificaciones de rendimiento.

Fuente: http://www.pcb.com/techsupport/tech_gen.php