Akcelerometry piezoelektryczne

Materiały piezoelektryczne mają wyjątkową cechę: zamieniają energię mechaniczną odkształcenia na sygnał elektryczny proporcjonalny do tego odkształcenia, a zatem i jego przyczyny, którą mogą być wibracje, uderzenia. Zachodzi również zależność odwrotna – materiały piezoelektryczne ulegają odkształceniu pod wpływem przyłożonego napięcia. Wykazują zatem sprzężenie elektroelastyczne. Odpowiada za to efekt piezoelektryczny. Chociaż jest to zjawisko dość powszechnie znane, nie dla wszystkich jest oczywiste, na czym dokładnie polega. To ważne, ponieważ jego wyjaśnienie pomaga zrozumieć działanie czujników piezoelektrycznych.

Efekt piezoelektryczny

Na rysunku 1 przedstawiono wpływ oddziaływania zewnętrznej siły na materiał piezoelektryczny. W nieodkształconym materiale środki ładunków ujemnych i dodatnich pokrywają się (rys. 1a). To oznacza, że cząsteczki te są elektrycznie obojętne. Przyłożenie siły mechanicznej, jak to pokazano na rysunku 1b, odkształca materiał, czego skutkiem jest przesuniecie się środków ładunków dodatnich i ujemnych cząsteczek. W rezultacie powstaje wiele dipoli, zaś na powierzchni materiału piezoelektrycznego pojawiają się ładunki. Ich ilość jest proporcjonalna do przyłożonej siły.

Piezoelektryki są izolatorami. Jeżeli jednak na przeciwległych bokach elementu wykonanego z materiału piezoelektrycznego osadzimy elektrody, łącząc je, możemy wykorzystać pole elektryczne generowane przez efekt piezoelektryczny, aby wywołać przepływ prądu (rys. 1b).

 

Rys. 1. Efekt piezoelektryczny

Akcelerometry piezoelektryczne

Aktywny element w tytułowych akcelerometrach wykonuje się z ceramiki piezoelektrycznej. Jedna jego strona jest sztywno połączona z korpusem czujnika a druga z tzw. masą sejsmiczną (inercyjną). Gdy akcelerometr jest poddawany drganiom, jego korpus ulega przyspieszeniu na skutek działania siły zewnętrznej. Wówczas masa inercyjna, która ma tendencję do "pozostawania z tyłu" z powodu swojej bezwładności, odkształca element piezoelektryczny. Powoduje to wygenerowanie ładunku elektrycznego proporcjonalnego do przyłożonej siły. Przyjmuje się, że pod jej wpływem masa oraz podstawa czujnika ulegają jednakowemu przyspieszeniu, akcelerometr zatem mierzy przyspieszenie swojego korpusu. Istnieją trzy główne konfiguracje akcelerometrów piezoelektrycznych: w trybie ścinania, ściskania oraz zginania.

W trybie ścinania płytki piezoelektryczne są ustawione tak, by podlegały odkształceniu ścinającemu z powodu przyspieszenia, tzn. są prostopadłe do podstawy. Jest to najpopularniejsza konfiguracja. Wynika to stąd, że płytki piezoelektryczne są w tym układzie izolowane od podstawy, dzięki czemu czujnik jest mniej wrażliwy na wpływy temperatury i odkształcenia podstawy. Z drugiej strony, w tej konfiguracji uzyskuje się zazwyczaj stosunkowo niski stosunek czułości do masy. To oznacza, że potrzebny jest wzmacniacz ładunku, inaczej trudno jest wykonać kompaktowy, lekki akcelerometr.

Tryby ściskania i zginania

W trybie ściskania piezoelektryk jest umieszczany w linii z podstawą i masą sejsmiczną. Zapewnia to umiarkowanie wysoki stosunek czułości do masy, chociaż niestety jednocześnie tworzy się układ sprężyna-masa między elementem piezoelektrycznym a podstawą czujnika. Prowadzi to do błędów pomiarowych z powodu odkształcenia podstawy i pod wpływem temperatury. Dlatego konfiguracja ta jest raczej rzadko używana, z wyjątkiem pomiarów silnych wibracji i wstrząsów, ze względu na jej wytrzymałość.

W trzecim układzie wykorzystuje się belkę z materiału piezoelektrycznego z zawieszoną na końcu masą inercyjną. Uzyskuje się w tym przypadku najlepszy w porównaniu do pozostałych dwóch konfiguracji stosunek czułości do masy. Akcelerometry tego typu nie wymagają zasilania. Z drugiej strony na ich dokładność silnie wpływa temperatura, są bardzo delikatne i mają niską częstotliwość rezonansową. Z tych powodów najczęściej są wykorzystywane jako niezasilane sensory, których zadaniem jest aktywacja głównego układu pomiarowego.

 

Rys. 2. Różne konfiguracje akcelerometrów

Zalety i wady akcelerometrów piezoelektrycznych

Akcelerometry piezoelektryczne są bardzo popularne w pomiarach wibracji i uderzeń w przemyśle. Ich główne zalety to: niski poziom szumów wyjściowych, szeroki zakres pomiarowy – nadają się do pomiarów drgań o niskiej amplitudzie, jak i wstrząsów o dużej sile, liniowość charakterystyki w całym zakresie dynamicznym, szeroki zakres częstotliwości oraz powszechność, dzięki czemu można wybierać spośród bogatej oferty akcelerometrów dostępnych na rynku.

Z drugiej strony akcelerometry piezoelektryczne nie mierzą statycznego przyspieszenia – czujniki tego typu nie zmierzą siły wywieranej przez grawitację. Generalnie nie mogą mierzyć drgań poniżej kilku herców. Problemem jest również silne, niepożądane wzmocnienie, z którym trzeba się liczyć w przypadku wystąpienia rezonansu.

Zazwyczaj już przy około 1/5 częstotliwości rezonansowej wskazania akcelerometru mają dodatnie, 5% odchylenie od rzeczywistego poziomu drgań. Przy około 1/3 częstotliwości rezonansowej wzrasta ono do 10%. Przy w przybliżeniu 1/2 częstotliwości rezonansowej osiąga 3 dB (dodatnie odchylenie 41%). W rezonansie wzmocnienie wynosi już nawet 30 dB, co oznacza ponad 30-krotne zafałszowanie wskazań.

Skutki wzmocnienia

Jeżeli na przykład rzeczywiste przyspieszenie wynosi 10 g, ale częstotliwość drgań jest bliska albo równa częstotliwości rezonansowej akcelerometru, wynik jego pomiaru może wynieść aż 300 g. To czyni dany czujnik w tym konkretnym zastosowaniu bezużytecznym.

Dodatkowo niepożądane wzmocnienie może spowodować, że akcelerometr doświadczy amplitudy wstrząsu przekraczającej jego zakres pomiaru. Gdy poziomy przyspieszenia wejściowego, w tym te wzmacniane przez rezonans mechaniczny, przekroczą zakres pomiarowy czujnika, może dojść do nasycenia wewnętrznego wzmacniacza ładunku.

Wzmocnieniu spowodowanemu rezonansem nie można zapobiec ani odfiltrować go elektronicznie – jest to skutek specyfiki konstrukcji akcelerometru i/lub sprzężenia między nim a mocowaniem w układzie pomiarowym. Prawidłowy montaż ma w tym przypadku kluczowe znaczenie. By zapobiec zafałszowywaniu wskazań nie należy korzystać z akcelerometrów o częstotliwości rezonansowej w zakresie częstotliwości wielkości mierzonej albo stosować izolatory drgań. Dostępne są również akcelerometry z wewnętrznym tłumieniem, ale zwykle zawęża ono szerokość ich pasma.

Akcelerometry MEMS

Kiedy mowa o akcelerometrach MEMS, często domyślnie chodzi o akcelerometry pojemnościowe, chociaż technologia ta może być z powodzeniem wykorzystywana również do produkcji czujników piezorezystancyjnych. Pojemnościowe akcelerometry MEMS działają na zasadzie pomiaru wpływu przyspieszenia na pojemność kondensatora z trzema albo większą liczbą elektrod, z których jedna jest ruchoma.

Ze względu na niski koszt i niewielkie rozmiary akcelerometry tego typu są dostępne w obudowach do montażu powierzchniowego. Są dzięki temu powszechne w urządzeniach przenośnych.

Pojemnościowe akcelerometry MEMS najlepiej sprawdzają się w pomiarach wibracji o niskiej częstotliwości, ruchu oraz przyspieszenia w stanie ustalonym. Niestety mają słaby stosunek sygnału do szumu, ograniczoną szerokość pasma i zakres pomiarowy ograniczony głównie do mniejszych wartości przyspieszenia (mniej niż 200 g). Są jednak bardzo tanie i łatwe w użytku, dzięki czemu stały się bardzo popularne.

Akcelerometry piezorezystancyjne

W akcelerometrach piezorezystancyjnych element pomiarowy pod wpływem zewnętrznej siły ulega odkształceniu, co powoduje zmianę rezystancji. Mają bardzo szerokie pasmo, co pozwala na ich wykorzystanie w pomiaru krótkotrwałych wstrząsów (o wysokiej częstotliwości). Poza tym mierzą do zera herców, zatem można ich też używać do pozyskiwania precyzyjnych informacji o prędkości lub przemieszczeniu.

Z drugiej strony mają zwykle bardzo małą czułość, co czyni je mniej przydatnymi w dokładnych pomiarach drgań. Akcelerometry piezorezystancyjne są ponadto wrażliwe na zmiany temperatury, więc wymagana jest jej kompensacja. Dostępne są czujniki, w których kompensacja temperaturowa jest realizowana wewnętrznie. Są znacznie droższe niż pojemnościowe akcelerometry MEMS. Generalnie są najlepszym wyborem w pomiarach impulsów/uderzeń, w których częstotliwości i amplituda są zazwyczaj wysokie. Przykłady takich obejmują testy zderzeniowe samochodów i testy broni.

Jaki akcelerometr będzie najlepszy?

W pomiarach przyspieszenia statycznego (0 Hz, 1 g), na przykład w pomiarach siły grawitacji i określaniu orientacji czujnika, najlepiej sprawdzą się sensory pojemnościowe i piezorezystancyjne. W wyznaczaniu przeciążenia (0 Hz, < 25 g), na przykład w rakietach i samolotach również polecane są te oba typy akcelerometrów. W pomiarach przy częstotliwości poniżej 1 Hz i przyspieszeniu nieprzekraczającym 1 g (trzęsienia ziemi, fale) wykorzystuje się z kolei sensory piezoelektryczne.

W przypadku wibracji o niskich częstotliwościach (<5 Hz, <25 g), towarzyszących ruchowi ludzi i występujących w robotyce sprawdzą się wszystkie trzy typy akcelerometrów. W pomiarach drgań w silnikach elektrycznych i zawieszeniach samochodów (5 Hz do 500 Hz, <25 g) korzysta się typowo z czujników piezoelektrycznych i pojemnościowych MEMS.

Pomiary drgań o wysokiej częstotliwości (>500 Hz, <25 g) mierzonych w celu wykrycia przyczyn hałasu towarzyszącego pracy przekładni i w monitorowaniu stanu turbin to domena akcelerometrów piezoelektrycznych. Wszystkie opisane typy czujników nadawać się będą z kolei do pomiarów przy częstotliwościach nieprzekraczających 100 Hz oraz przyspieszeniu mniejszym niż 200 g, na przykład w testowaniu amortyzatorów.

W przypadku wstrząsów o dużej sile uderzenia (<250 Hz, >200 g), na przykład w testach upadku, najlepszym wyborem będą akcelerometry piezoelektryczne albo piezorezystancyjne. Są również preferowane w pomiarach ekstremalnych wstrząsów (>1000 Hz, >2000 g), na przykład w testach zderzeniowych samochodów.

Monika Jaworowska