Piezoelektrické senzory zrychlení kmitavého pohybu a časově proměnných tlaků

Co umožňují piezoelektrické senzory? Umožňují měřit ve strojírenském výzkumu a vývoji zrychlení kmitavého pohybu a časově proměnných tlaků i sil v několikanásobně větším frekvenčním rozsahu, než s použitím senzorů s jinými mechanicko - elektrickými převody. Naléhavě to vyžaduje technický pokrok v rychle se rozvíjejících strojírenských oborech. Těmito senzory lze např. měřit ve frekvenčním rozsahu větším než 20 kHz při nepatrně tlumené vlastní frekvenci 80 kHz jejich měřicí soustavy. Ostatní typy mechanicko – elektrických převodů lze využívat z fyzikálních důvodů jen k měření v řádově menším frekvenčním rozsahu. K měření frekvenčních charakteristik piezoelektrických senzorů mechanického kmitání ve frekvenčním rozsahu např. do 100 kHz lze používat vibrátor sestavený z několika desítek destiček piezoelektrického keramického materiálu, pevně spojených vhodným tmelem. Zařízení je napájeno výkonovým RC generátorem. Principem piezoelektrického senzoru je, že síla určená měřeným zrychlením nebo tlakem působící na piezoelektrickou křemennou destičku v podrezonanční oblasti ve směru její elektrické osy x vyvolá na protilehlé ploše ve směru této osy elektrický náboj. Hovoříme o podélném přímém piezoelektrickém efektu. Deformujeme- li piezoelektrickou destičku ve směru mechanické osy y (kolmé ke směru osy x), má náboj piezoelektrické destičky opačnou polaritu a vzniká příčný přímý piezoelektrický efekt. Na rozdíl od podélného piezoelektrického efektu je velikost vzniklého náboje závislá na rozměrech křemenné destičky. Využitím příčného přímého piezoelektrického efektu lze zvýšit citlivost senzoru. Je však i příčinou podstatně většího ovlivňování měřicího signálu změnami teploty. Vzniklé elektrické napětí mezi oběma plochami piezoelektrické destičky lze měřit až do frekvencí řádu desítek kHz. Z teorie piezoelektrického efektu vyplývá, že množství elektřiny vznikající na stěnách piezoelektrické destičky (měřicího elementu) zůstává tak dlouho, dokud působí síla a neuniká náboj. Mezi nejpoužívanější piezoelektrické materiály patří oxid křemičitý SiO2 a keramiky titaničitanu barnatého BaTiO3. Působením mechanického namáhání nepřevyšujícího u křemene 1,5 kN/m2 a u titaničitanu barnatého 0,3 kN/m2 nedochází k nelineárnímu zkreslení elektrického signálu. Oxid křemíku se vyskytuje v přírodě jako čistý křišťál, nebo se vyrábí uměle. Do teploty 200 oC reaguje na změny teploty minimálně a rovněž tak při velmi nízkých teplotách. U titaničitanu barnatého je teplotní rozsah měření od -20 do +70 oC běžně rozšiřován do 100 oC. Další vlastnosti titaničitanu barnatého jsou uváděny jako informativní, protože jsou značně závislé na výrobním postupu. Výjimečně se využívá i směsný titaničitan a zirkončitan olovnatý pro měření v menším frekvenčním rozsahu. Existují další piezoelektrické materiály s jistými omezeními pro použití v senzorech mechanických veličin. Jde především o Seignettovu sůl a o primární fosforečnan amonný, vyznačující se vysokou teplotní závislostí piezoelektrického modulu, nízkou dielektrickou konstantou a malou mechanickou odolností. Elektronika piezoelektrických senzorů Vzniklé elektrické napětí mezi oběma plochami piezoelektrické destičky lze měřit do frekvencí řádu desítek kHz. Nemožnost měřit napětí o velmi nízkých frekvencích je způsobena tím, že piezoelektrický senzor funguje jako nabíjený kondenzátor. Jeho vybíjení podstatně snižuje přesnost měření na nejnižších frekvencích, proto musí být zajištěn dostatečně vysoký izolační odpor výstupních vývodů senzoru i vstupního obvodu připojované elektroniky, aby elektrický náboj unikal co nejpomaleji zejména v těch případech, kdy je požadováno měření quazistatických průběhů a statické cejchování. Reálně dosahovaný odpor piezoelektrických senzorů může být 1012 až 1014 ohmů. Protože velikost výstupního odporu piezoelektrických senzorů snižuje i délka přívodů k elektronice, je senzor spojen zpravidla krátkým kabelem vybaveným keramickou izolací s předzesilovačem měřicího signálu s vysokým vstupním odporem. Tento spojovací kabel má i dobré stínění proti vnějším rozptylovým polím, vykazuje malou kapacitu a její konstantní hodnotu při ohýbání kabelu a izolační odpor nezávislý na působení vlhkosti. Předzesilovač je normálním libovolně dlouhým kabelem připojen k měřicímu zesilovači obsahujícímu dolnofrekvenční propust korigující nepatrně tlumenou rezonanci měřicí soustavy senzoru a případně další obvody korigující amplitudové a fázové chyby vznikající působením různých parazitních vlivů na měřicí signál. Piezoelektrické senzory zrychlení kmitavého pohybu mají aktuální význam při měření kmitání lopatek leteckých proudových motorů, při geofyzikálních měřeních atd. V některých případech vyžaduje jejich využití měřit vysokofrekventní zrychlení při teplotách několika set stupňů Celsia. Za těchto okolností jsou piezoelektrické senzory chlazeny vodou. Pozornost je třeba věnovat dostatečně tuhému spojení akcelerometrů s měřeným objektem, aby nevznikalo zkreslení v oblasti vlastní frekvence měřicí soustavy tvořené hmotou senzoru a stykovou tuhostí spojení senzor - měřený objekt. Hmotnost piezoelektrických akcelerometrů zaznamenaná u předních světových výrobců se pohybuje v rozsahu 5 až 25 g. Při používání senzoru zrychlení drženého rukou na povrchu měřeného objektu je třeba vyloučit značné nepřesnosti měření dolnofrekvenční propustí s mezní frekvencí cca 1 kHz. Piezoelektrické senzory zrychlení jsou minimálně citlivé k příčným kmitům v rovině kolmé k hlavní ose senzoru a nepřesahují ve většině případů 1% její citlivosti. Síla vyvolaná měřenou mechanickou veličinou musí rovnoměrně působit po celé ploše destičky piezoelektrického materiálu i při deformaci základny senzoru přiléhající k povrchu měřeného objektu, který z různých důvodů může měnit teplotu. Vedle piezoelektrických akcelerometrů se vyrábějí piezoelektrické senzory tlaku. Piezoelektrické senzory síly mají stejnou konstrukci jako senzory tlaku a elektrický výstup definovaný v jednotkách síly působící na měřicí soustavu senzoru ve frekvenční oblasti pod její vlastní frekvencí. V posledních letech se podstatně zvyšuje potřeba piezoelektrických senzorů tlaku v raketovém výzkumu, jaderné fyzice, ve výzkumu výbušnin a při měření nezkresleného průběhu spalovacích tlaků dieselových motorů, čehož je dosahováno při nezkresleném frekvenčním přenosu do 15 kHz. K dosažení bezpečné odolnosti vůči značným vlivům okolí (vibrace, hluk) je nejvýhodnější použití piezoelektrických senzorů s krystalem křemene. Dlouhodobé zkoušky piezorezistentních senzorů za dobu několika let vykazují změnu citlivosti menší než 2 %. Přímý piezoelektrický jev se též využívá ke konstrukci vibrátorů umožňujících měření frekvenčních charakteristik senzorů parametrů kmitavého pohybu od několika Hz do desítek kHz. Piezoelektrické vibrátory jsou sestavovány z několika desítek destiček piezoelektrického keramického materiálu pevně spojených vhodným tmelem. Elektricky jsou spojeny destičky paralelně. Piezoelektrické vibrátory jsou napájeny výkonovým RC generátorem. Produkují mechanické kmity v nejširším frekvenčním rozsahu, až do 100 kHz. Vzhledem ke všeobecnému pokroku ve strojírenství charakterizovanému zvyšováním otáček různých strojů, zvyšováním tlaků ve spalovacích prostorech pístových motorů, náročností konstrukcí vysokootáčkových motorů s lopatkovými rotory atd. nabývají aplikace piezoelektrického jevu v měřicí technice mechanických veličin na významu. Pozitivní je, že při splnění definovaných fyzikálních podmínek poskytuje piezoelektrický senzor v určeném frekvenčním rozsahu měřicí signál s dostatečnou přesností a citlivostí. Jiří Černohorský