Korzyści i aplikacje

Przez lata toczyło się wiele dyskusji na temat zalet wyboru kwarcu lub ceramiki jako elementu czujnikowego akcelerometru piezoelektrycznego.W tym miesiącu przyjrzymy się zaletom każdego z nich, wraz z przytoczeniem niektórych aplikacji, w których jedna lub druga przoduje.... kalambur?

Po pierwsze, kwarc od dawna jest znany z tego, że jest naturalnie piezoelektryczny.W związku z tym wykazuje najlepszą długoterminową stabilność spośród wszystkich czujników piezoelektrycznych.Kwarc nie wykazuje mocy piroelektrycznej i ma mały stabilny współczynnik cieplny.Niska pojemność kwarcu zapewnia wysokie napięcie wyjściowe (V=Q/C).Ta wysoka moc wyjściowa jest w rzeczywistości powodem, dla którego większość dynamicznych kwarcowych czujników siły jest w rzeczywistości osłabiana przez czułość obwodu otwartego (ponad siła 1,3 V/funt).

Najczęściej kwarc nie jest eksploatowany w wyższych temperaturach, ponieważ istnieją inne piezoelektryczne materiały ceramiczne, które są bardziej odpowiednie ze względu na ich wyższą moc wyjściową.Czasami istnieje również nieco wyższy poziom szumów podczas pracy napięciowej, ponieważ wzmacniacz MosFET używany do konwersji impedancji wewnętrznej ma wyższy poziom szumów niż typowy wewnętrzny wzmacniacz J-FET konwertujący ładunek.Szum może być również nieco wyższy, ponieważ rezystory używane do ustawiania stałej czasowej są zwykle większe niż w układach wzmacnianych ładunkiem.Ostateczne ograniczenia w kwarcu koncentrują się na ograniczonych cięciach i geometrii dla naturalnej polaryzacji, tj. braku pierścieniowego kwarcu ścinanego.

Kwarcowe elementy czujnikowe znajdują doskonałe zastosowanie w następujących dziedzinach:

• Standardy wzorcowe kalibracji dynamicznej ze względu na wyjątkową stabilność długoterminową
• Wiele aktywnych termicznie i cyklicznych środowisk, takich jak kriogeniczne, a także badania przesiewowe naprężeń środowiskowych (ESS) / wysoce przyspieszony test trwałości (HALT) / wysoko przyspieszony test naprężeń (HASS)
• Czujniki siły dynamicznej w konfiguracji jedno- i trójosiowej
• Ciśnienie dynamiczne w aktywnych środowiskach, takich jak niestabilność spalania w turbinie i przepływ powietrza w tunelach aerodynamicznych nad płatami.

Jeśli chodzi o ceramiczne materiały czujnikowe piezoelektryczne, kluczowe korzyści wynikają z kontrolowanego procesu polaryzacji (tjpolikrystalicznyelementy mogą być wykonane w różnych kształtach/geometrii) i wzmocnione mocą wyjściową o wysokim ładunku.Połączenie piezoceramiki z niskoszumowymi wewnętrznymi wzmacniaczami J-FET zapewnia wyjątkową rozdzielczość z poziomem szumów tak niskim, jak te, które można znaleźć w akcelerometrach ładunku połączonych z typowymi długościami kabli podłączonych do laboratoryjnego wzmacniacza ładunku.Gdy wszystko jest równe, poziom szumów czujników ładunku z wbudowaną elektroniką będzie niższy niż w przypadku zewnętrznego wzmacniacza ładunku.Szum jest oparty na całkowitej pojemności podzielonej przez pojemność sprzężenia zwrotnego.Całkowita pojemność systemu z zewnętrznym wzmacniaczem ładunku wzrośnie z powodu pojemności kabla pomiędzy czujnikiem a zewnętrznym wzmacniaczem ładunku.Niedawno wprowadzono ceramikę specjalistyczną do środowisk pracy w wysokich temperaturach, takich jak te występujące w silnikach turbinowych.

Ze względu na ograniczenia, ceramika charakteryzuje się nieco mniejszą stabilnością długoterminową i wyższym współczynnikiem cieplnym niż kwarc (chociaż niektóre ceramiki wysokotemperaturowe zbliżają się do kwarcu).Ponadto czułość piroelektryczna ceramiki ogranicza jej zastosowanie w niektórych zastosowaniach związanych z wybuchami/wstrząsami.Ponieważ elementy są spolaryzowane jako część procesu produkcyjnego, konieczne jest, aby sprzedawca czujnika został sprawdzony i zaufany pod względem jakości i niezawodności.

Dzięki połączeniu niskiego poziomu hałasu, lekkości i elastycznej geometrii, ceramiczne elementy czujnikowe znajdują doskonałe zastosowanie w:

• Niski poziom hałasu w poziomie wewnętrznym ICP ze wzmocnieniem ładowania
• Pomiar drgań ogólnego przeznaczenia
• Niskie koszty akcelerometrów modalnych/samochodowych NVH/lotniczych GVT, w których standardową operacją są niskie poziomy sygnału przy długich odcinkach kabli
• Specjalistyczne aplikacje lotnicze działające w wysokiej temperaturze (do 900 st. F)

Chociaż jest to kilka wskazówek dotyczących wyboru, ostatecznie zawsze istnieją subtelne szczegóły dotyczące aplikacji dynamicznych i różnych typów wykrywania.Konsultacja z doświadczonym inżynierem ds. zastosowań terenowych lub specjalistą ds. zastosowań fabrycznych to najlepszy sposób, aby upewnić się, że wybierasz odpowiedni czujnik do swoich potrzeb.