Пьезоэлектрические датчики
Пьезоэлектри́ческий эффе́кт — эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэлектрический эффект — возникновение механических деформаций под действием электрического поля.
Свойствами пьезоэффекта обладают природные кристаллы кварц, турмалин, искусственные кристаллы сегнетовая соль, тинатат бария и др.
Применяют, например, в датчиках давления, силы, виброускорения.
Относятся к генераторным датчикам, вырабатывают пьезоЭДС. Выходная мощность пьезоэлектрических датчиков очень мала, кроме того они обладают высоким импедансом, поэтому измерительная схема представляет собой усилитель с возможно большим входным сопротивлением.
Условное схематическое изображение устройства
пьезоэлектрического датчика ускорений.
Применяются в виброметрах. Устанавливаются на объекте и позволяют измерять виброускорение контролируемой поверхности, а путем последующего интегрирования – виброскорость, и двойного интегрирования – вибросмещение.
Емкостные датчики
Емкостным датчиком называют преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение емкостного сопротивления.
Обычно емкостный датчик представляет собой плоский или цилиндрический конденсатор, одна из обкладок которого перемещается под действием входной величины, вызывая изменение емкости. Обкладкой конденсатора в некоторых случаях может служить и сам контролируемый объект.
Используются в системах регулирования и управления в различных областях, например, для контроля линейных и угловых перемещений, давления, заполнения резервуаров, как конечные выключатели в технологическом оборудовании, в системах сигнализации и т.д. Широкое распространение получили датчики приближения (присутствия).
Преимущества емкостных датчиков по сравнению с датчиками других типов:
· простота изготовления, использование недорогих материалов для производства; - малые габариты и вес; - низкое потребление энергии; - высокая чувствительность;
· отсутствие контактов (в некоторых случаях – один токосъем);
· долгий срок эксплуатации;
· потребность весьма малых усилий для перемещения подвижной части емкостного датчика;
· простота приспособления формы датчика к различным задачам и конструкциям.
Недостатки емкостных датчиков:
· при негерметичном исполнении высокая чувствительность к изменениям параметров окружающей среды, например, пыли, коррозии, влажности, ионизирующей радиации;
· высокие требования к экранировке деталей;
· необходимость работы на повышенной (по сравнению с 50 Гц) частоте.
Переменными факторами при использовании емкостных датчиков могут быть:
· диэлектрическая проницаемость среды ε;
· площадь перекрытия обкладок S;
· расстояние между обкладками d.
Датчики на основе MEMS-технологий
В результате развития микроэлектроники и технологий микрообработки появляются новые типы устройств, в том числе измерительных преобразователей. Аббревиатура MEMS означает Micro Electro Mechanical Systems (микроэлектромеханические системы)
В частности, в последнее время все большее распространение в различных областях техники получают акселерометры-инклинометры. Это преобразователи, также основанные на изменении емкости под действием входной величины, однако представляющие собой новое направление развития конструкций датчиков, благодаря исполнению в виде интегральных электромеханических устройств. Выпускают такие преобразователи фирмы Analog Devices, Freescale Semiconductor и др.
Они широко используются для измерения угла крена, сил инерции, ударов и вибрации в автомобилестроении, медицине, индустриальном контроле и других приложениях. Значительное преимущество таких акселерометров перед пьезоэлектрическими акселерометрами состоит в том, что с их помощью может быть измерена постоянная величина ускорения (т.е. их можно использовать для измерения крена, где величина ускорения является постоянной - 1 g).
Примеры:
Измерение крена или наклона
· для систем предупреждения в автомобиле
· для мониторинга (отслеживания) состояния пациентов
Измерение сил инерции
· для защиты дисковых накопителей в портативных компьютерах
· для создания датчиков аварий воздушных резервуаров
· для навигационных систем автомобилей
· для контроля подъемных устройств