Technika sensorowa. Czujniki wielkości mechanicznych. dr inż. Wojciech Maziarz Katedra Elektroniki C-1, p.301, tel

Transkrypt

1 Technika sensorowa Czujniki wielkości mechanicznych dr inż. Wojciech Maziarz Katedra Elektroniki C-1, p.301, tel Wojciech.Maziarz@agh.edu.pl 1

2 Czujniki wielkości mechanicznych Wielkości mechaniczne istotne w technice sensorowej: x(t), = x/x, (t) - położenie, przesunięcie, odkształcenie (liniowe, kątowe) v = dx/dt, F = ma, = d /dt, a = dv/dt prędkość, przyśpieszenie (liniowe, kątowe) = F/A, M = F d - siła, naprężenie, moment siły Dla wartości zmiennych w czasie mierzy się: wartość średnią A 1 t t 0 A( t) dt wartość skuteczną A rms 1 t t 0 A( t) dt dla przebiegów okresowych t = T

3 W pomiarach wykorzystuje się związki między wielkościami, np. znając przyspieszenie można wyznaczyć kolejno: v(t) a(t)dt x(t) v(t)dt W technologiach mikromechanicznych szczególne znaczenie mają czujniki ciśnienia i przyśpieszenia. Czujniki przyśpieszenia działają w oparciu o siły bezwładności (elementem ruchomym jest masa bezwładna). Rejestrowane są przemieszczenia (odkształcenia). 3

4 Mechaniczny model czujnika drgań d y dt b m dy dt k m y d x dt Parametry k, b, m oscylatora można tak dobrać, aby była możliwa rejestracja poszczególnych wielkości. 1. m duże b małe k małe y x wibrometr Należy dążyć, aby oddziaływanie zwrotne czujnika na obiekt było jak najmniejsze (małe m).. m małe b duże k małe 3. m małe b małe k duże b m k m y y dx dt d x dt czujnik prędkości akcelerometr Można więc budować czułe akcelerometry o dużym zakresie mierzonych przyspieszeń i w wyniku całkowania otrzymywać pozostałe parametry drgań. 4

5 Akcelerometr piezoelektryczny z układem do badania parametrów drgań 1. masa bezwładna. płytki piezoelektryka 3. regulacja docisku 4. przedwzmacniacz FET 5. gniazdo przyłączeniowe 5

6 Efekt piezoelektryczny Przekrój sześciokątny kryształu kwarcu (prostopadle do osi optycznej z). Istnieją 3 osie mechaniczne (prostopadłe do ścianek przekroju) oraz 3 osie elektryczne (przechodzące przez krawędzie). Działając siłą na wyciętą płytkę wzdłuż osi elektrycznej x powodujemy powstawanie ładunku na ściankach, do których to naprężenie jest przyłożone (efekt piezoelektryczny podłużny). Działanie siłą wzdłuż osi mechanicznej y indukuje ładunek na ściankach jak poprzednio (efekt poprzeczny). 6

7 Efekt piezoelektryczny x 1 oś mechaniczna Si 4+ x x 3 O - x 1 oś elektryczna x 1 Budowa kryształu kwarcu (pokazana jest warstwa pierwsza, w drugiej warstwie są 3 atomy O -, trzecia warstwa pokrywa się z pierwszą itd.) Efekt podłużny Efekt poprzeczny 7

8 Efekt piezoelektryczny Przyłożenie naprężenia σ powoduje pojawienie się ładunku o gęstości q. dq dt k p d dt k p moduł piezoelektryczny (dla kwarcu C/N, dla ferroelektryka ok.100x większy) Dla zjawiska wzdłużnego (siła F x ) otrzymuje się na ściance ładunek Q = A x q = A x k p σ = k p F x - nie zal. od powierzchni A x Dla zjawiska poprzecznego (działa siła F y ) Q = -k p F y b/a 8

9 Efekt piezoelektryczny Wytworzony ładunek daje napięcie U = Q/C = Q/(C k + C m ) = k p F x /C, C k, C m poj. kryształu i kabla Dla n równolegle połączonych płytek U = nq/(nc k + C m ) Czułość piezoelektryczna S p = du/df x = nk p /(nc k + C m ) Stała czasowa rozładowania czujnika (ogranicza f min ) τ = (C k + C m )/(G k + G m ) G - konduktancja 9

10 Czujnik pojemnościowy l Kondensator płaski C = ε 0 ε r A/l C C Czułość: dc/dl = - ε 0 ε r A/l, zmienia się wraz z l dc/c = - dl/l, duża czułość wzgl. dla małych l 0,1 l l Stąd konieczność małych l aż do przebicia 10

11 Czujnik pojemnościowy wykorzystujący kondensator różnicowy l l l C 1 C ΔC = C C 1 = ε 0 ε r A Δl/(l Δl ) dla Δl << l ΔC = ε 0 ε r A Δl/l, stąd ΔC/C = Δl/l C Uzyskuje się zwiększoną czułość i liniowość. -1-0,6 0,6 1 l l Ponadto różnicowy mod pracy zapewnia zmniejszenie uchybu temperaturowego i spowodowanego zmianą ε. 11

12 Czujnik pojemnościowy wykorzystujący kondensator różnicowy p r M p x Czujnik pojemnościowy do pomiaru ciśnienia w wersji różnicowej 10-4 < p < 10 3 Tr ΔC min = 10-5 pf (Δd~ nm) ELEKTRODA STAŁA Akcelerometr pojemnościowy C 1 MASA RUCHOMA C C C 1 1 C C d d 0 ELEKTRODA STAŁA 1

13 Pojemnościowy czujnik przemieszczenia w konfiguracji ilorazowej Cylindryczny czujnik pojemnościowy z ruchomym dielektrykiem: W elektroda wspólna S elektroda stała R elektroda zmienna Przemieszczenie jest wyliczane ze stosunku pojemności C WR /C WS W praktyce elektroda S wymagała starannego ekranowania, aby uniknąć wpływu zmiany wilgotności powietrza na pojemność C WS (zmiana konfiguracji pola elektrycznego). 13

14 Czujnik przemieszczenia kątowego Kondensator obrotowy C C C0 C C 0 14

15 Czujnik przemieszczenia kątowego Praktyczna realizacja różnicowego kondensatora obrotowego (Zi-Tech Instruments Corp.) Statory 1 i tworzą z rotorem oddzielne pojemności. Różnica tych pojemności zmienia się liniowo z obrotem rotora. 15

16 Pojemnościowy czujnik pochylenia na bazie akcelerometru Konstrukcja scalonego akcelerometru Analog Devices: (a) schemat międzypalczastego kondensatora różnicowego, (b) element sensorowy widziany z góry. 16

17 Pojemnościowy czujnik pochylenia na bazie akcelerometru Określanie kąta pochylenia θ z pomiaru przyspieszenia ziemskiego Czujnik kąta pochylenia w wersji jedno i dwuosiowej (g = 1) W wersji jednoosiowej czułość spada ze wzrostem θ 17

18 Czujniki wielkości mechanicznych - źródła J.W. Gardner, V.K. Varadan, O.O. Awadelkarim, Microsensors, MEMS and Smart Devices, John Wiley & Sons, LTD, 001 W. Göpel, J. Hesse, J.N. Zemel, Sensors A Comprehensive Survey, VCH Verlagsgesellschaft mbh, 1989 Piezoelectric sensors: Akcelerometry: How does a piezo accel work: %0work.pdf An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering: Nadim-Maluf-and-Kirt-Williams Internet 18