Принцип роботи п’єзоелектричного датчика сили

П’єзоелектричні датчики сили: простий принцип роботи – величезні можливості

Існують різні типи датчиків сили. Найбільш поширеними перетворювачами є тензометричні датчики. Принцип їх роботи ми вже розглядали у статті про принцип роботи тензодатчиків. Ця стаття присвячена іншій технології, яка використовується для вимірювання сил за допомогою п’єзоелектричних датчиків сили.

П’єзоелектричний кристал

Щоб зрозуміти, як працює п’єзоелектричний датчик сили, спочатку розглянемо принцип його дії. Серцем такого датчика завжди є п’єзоелектричний кристал, наприклад кварц. П’єзоелектричні матеріали — це матеріали, які генерують електричний заряд під дією прикладеної сили.

Принцип дійсно дуже простий: електричний заряд, що виникає, пропорційний прикладеній силі. За допомогою електроніки — так званого підсилювача заряду — цей заряд можна перетворити на легко вимірюваний сигнал, наприклад 0…10 В. У результаті вихідна напруга є пропорційною прикладеній силі.

Зліва показаний кристал із молекулярною ґраткою без прикладеної сили (у центрі відображено збалансований заряд). На кристал праворуч діє сила: центр тяжіння заряду зміщується, і вимірювання заряду здійснюється на електродах кристала.

Конструкція та спосіб використання п’єзоелектричних датчиків сили

Як уже зазначалося, між силою, що прикладається до кристала, і зміною електричного заряду існує пропорційна залежність. Іншими словами, чим більша сила, тим вища напруга і тим більший електричний заряд. Вихідний сигнал не залежить від розміру датчика, і це є важливою перевагою.

Як правило, в одному датчику використовуються два кристалічні елементи. Між ними розташований електрод, який збирає заряд із внутрішніх поверхонь кристалічних елементів. Цей електрод за допомогою кабелю підключається до підсилювача заряду.

Навколо двох кристалічних пластин також розташований металевий корпус. Він не лише захищає кристали, а й підключається до підсилювача заряду через екран кабелю, утворюючи таким чином другу точку контакту з кристалами.

Дуже важливо забезпечити якісний контакт між кристалами та електродом, а також між кристалами і корпусом. Надійна передача електричного заряду можлива лише тоді, коли поверхні мають добрий електричний контакт.

Принцип п’єзоелектричного датчика: кварцові елементи перетворюють прикладену силу на електричний заряд, який збирається електродом, розташованим між елементами датчика.

Властивості п’єзоелектричних датчиків сили

Особливістю п’єзоелектричних датчиків сили є те, що вони охоплюють дуже широкий діапазон вимірювань. Іншими словами, один і той самий датчик можна використовувати для вимірювання як дуже малих, так і дуже великих сил. Завдяки цьому п’єзоелектричні датчики сили є дуже гнучкими у застосуванні та можуть мати мініатюрні розміри — товщиною лише кілька міліметрів.

Їх висока жорсткість гарантує, що під навантаженням вони практично не деформуються. Внаслідок цього датчик має надзвичайно малий вплив на конструкцію, у яку він інтегрований.

З іншого боку, п’єзоелектричні датчики сили схильні до дрейфу. Електричний заряд завжди певною мірою прагне вирівнятися, тому різниця зарядів, необхідна для вимірювання, не може зберігатися нескінченно довго. Максимальний дрейф можна прийняти приблизно 10 Н/хв. Після калібрування вимірювального ланцюга це значення стає значно меншим.

Водночас дрейф залишається незалежним від величини вимірюваної сили. Тому він особливо важливий під час вимірювання малих сил протягом тривалого часу і має менше значення, коли вимірюються великі сили або процеси з короткою тривалістю вимірювання.

Ефект дрейфу при малих силах

Ефект дрейфу при великих силах

Вплив дрейфу для малих і великих сил: під час вимірювання 5000 Н можливий значно довший час вимірювання; при менших силах ефект дрейфу проявляється значно сильніше. Тому п’єзоелектричні датчики сили необхідно регулярно обнуляти.

Застосування п’єзоелектричних датчиків сили

Залежно від області застосування п’єзоелектричні датчики сили можуть постачатися з попереднім натягом або без нього. Датчики з попереднім натягом відкалібровані та можуть використовуватися одразу після встановлення.

Під час монтажу п’єзоелектричні шайби повинні піддаватися попередньому навантаженню. Зазвичай це робиться за допомогою гвинтів або болтів. Такий підхід забезпечує максимально якісний контакт між різними поверхнями матеріалів, що дозволяє ефективно передавати електричний заряд.

Однак ці додаткові елементи можуть змінювати чутливість точки вимірювання, тому після створення попереднього натягу її необхідно відрегулювати або відкалібрувати.

Важливо переконатися, що датчик забезпечує кількісно правильні результати вимірювання в конкретних умовах встановлення та за наявних умов навколишнього середовища.

Використання п’єзоелектричних датчиків сили особливо вигідне у циклічних процесах. Наприклад, під час з’єднання двох компонентів із заданою силою, як це відбувається у процесах клепання. Датчик разом із підсилювачем вимірює характерну силу процесу клепання та забезпечує дуже ефективний контроль якості.

Після вимірювання датчик перезавантажується та повертається до нульового значення, після чого виконується наступна операція клепання. У цьому випадку дрейф не впливає на результат, оскільки час вимірювання дуже короткий.