Teoria piezoelettrica generale

Piezoelettricità

Per generare un segnale di uscita utile, i nostri sensori si basano sull'effetto piezoelettrico. (Quando gli elementi piezoelettrici sono sollecitati da una forza esterna, la carica elettrica spostata si accumula sulle superfici opposte. La Figura 1 illustra lo spostamento di carica elettrica dovuto alla deflessione del reticolo in un cristallo di quarzo naturalmente piezoelettrico. I cerchi più grandi rappresentano gli atomi di silicio, mentre quelli più piccoli rappresentano l'ossigeno. Il quarzo cristallino, sia nella sua forma naturale che in quella rilavorata di alta qualità, è uno dei materiali piezoelettrici più sensibili e stabili disponibili.

Oltre ai cristalli di quarzo, il PCB utilizza anche piezoceramiche policristalline prodotte dall'uomo. Questi materiali, costretti a diventare piezoelettrici dall'applicazione di un grande campo elettrico, producono una carica estremamente elevata. Questa caratteristica è ideale per l'uso in sistemi di misura a basso rumore. Altri vantaggi e svantaggi sono elencati nella Tabella 1, dove è riportato un confronto tra i vari materiali piezoelettrici.

Cristallo di quarzo Ceramica policristallina
materiale naturalmente piezoelettrico materiale artificialmente polarizzato, prodotto dall'uomo
alta sensibilità alla tensione elevata sensibilità alla carica
rigidità paragonabile all'acciaio disponibilità illimitata di dimensioni e forme
presenta un'eccellente stabilità a lungo termine materiali disponibili che funzionano a 1000 F (540 C)
non piroelettrico uscita dovuta a transitori termici (piroelettrico)
basso coefficiente di temperatura le caratteristiche variano con la temperatura

Tabella 1: Confronto dei materiali piezoelettrici


Nei sensori piezoelettrici si possono utilizzare materiali piezoelettrici di diverse dimensioni e forme. Agendo come vere e proprie molle di precisione, le diverse configurazioni di elementi mostrate nella Figura 2 offrono vari vantaggi e svantaggi. (Il rosso rappresenta i cristalli piezoelettrici, mentre le frecce indicano come il materiale viene sollecitato). Gli accelerometri hanno tipicamente una massa sismica, rappresentata dal colore grigio. Una descrizione più completa delle strutture dei sensori è riportata nella sezione successiva). La struttura a compressione è caratterizzata da un'elevata rigidità, che la rende utile per l'implementazione in sensori di pressione e forza ad alta frequenza. Lo svantaggio è che è un po' sensibile ai transitori termici. La semplicità della configurazione a flessione è compensata dalla sua ridotta gamma di frequenze e dalla bassa sopravvivenza agli overshock. La configurazione a taglio è tipicamente utilizzata negli accelerometri in quanto offre una miscela ben bilanciata di ampia gamma di frequenze, bassa sensibilità fuori asse, bassa sensibilità alla deformazione di base e bassa sensibilità agli input termici.




Figura 2: Configurazioni dei materiali

Con valori di rigidità dell'ordine di 15E6 psi (104E9 N/m2), simili a quelli di molti metalli, i materiali piezoelettrici producono un'uscita elevata con una deformazione molto ridotta. In altre parole, gli elementi di rilevamento piezoelettrici non hanno essenzialmente alcuna deflessione e sono spesso definiti dispositivi a stato solido. È per questo motivo che i sensori piezoelettrici sono così robusti e presentano un'eccellente linearità in un'ampia gamma di ampiezze. Infatti, se abbinati a condizionatori di segnale adeguatamente progettati, i sensori piezoelettrici hanno in genere un intervallo di ampiezza dinamica (cioè il massimo rapporto tra ampiezza di misura e rumore) dell'ordine di 120 dB. Ciò significa che un singolo accelerometro può misurare livelli di accelerazione da 0,0001 g a 100 g!

Un'ultima nota importante sui materiali piezoelettrici è che possono misurare solo eventi dinamici o mutevoli. I sensori piezoelettrici non sono in grado di misurare un evento statico continuo, come nel caso della guida inerziale, della pressione barometrica o della misurazione del peso. Mentre gli eventi statici causano un'uscita iniziale, questo segnale decade lentamente (o si esaurisce) in base alla costante di tempo del materiale piezoelettrico o dell'elettronica collegata. Questa costante di tempo corrisponde a un filtro passa-alto del primo ordine e si basa sulla capacità e sulla resistenza del dispositivo. Questo filtro passa-alto determina in ultima analisi il limite di misura o di taglio a bassa frequenza del dispositivo.

Strutture

La Figura 3 mostra una rappresentazione di un tipico sensore di forza, pressione e accelerazione (il colore grigio rappresenta la struttura del test. Il colore blu corrisponde all'alloggiamento del sensore. I cristalli piezoelettrici sono colorati di rosso. L'elettrodo nero è il punto in cui la carica dei cristalli si accumula prima di essere condizionata dal microcircuito giallo. L'accelerometro incorpora anche una massa, indicata dal colore verde). Si noti che le differenze nella configurazione interna sono minime. Negli accelerometri, che misurano il movimento, la massa sismica invariante, "M", è costretta dai cristalli a seguire il movimento della base e della struttura a cui è collegata. La forza risultante sui cristalli è facilmente calcolabile utilizzando la seconda legge del moto di Newton: F=MA. I sensori di pressione e di forza sono quasi identici e si basano su una forza esterna per sollecitare i cristalli. La differenza principale è che i sensori di pressione utilizzano un diaframma per raccogliere la pressione, che è semplicemente una forza applicata su un'area.



Figura 3: Struttura del sensore

A causa della loro somiglianza, i sensori progettati per misurare un parametro specifico sono in qualche modo sensibili anche ad altri input. Riducendo al minimo la sensibilità agli eventi indesiderati, i sensori possono misurare con maggiore precisione il parametro desiderato. Ad esempio, i sensori di pressione più sofisticati utilizzano spesso un elemento di compensazione per ridurre la sensibilità all'accelerazione. Altri sensori impiegano amplificatori di compensazione termica per ridurre il coefficiente termico complessivo del sensore. Infine, gli accelerometri utilizzano elementi di rilevamento alternativi con struttura a taglio per ridurre gli effetti dei transitori termici, del movimento trasversale e della deformazione di base.

Condizionamento del segnale

Dopo che l'elemento di rilevamento produce un'uscita presumibilmente desiderabile, questo segnale deve essere condizionato prima di essere analizzato dall'oscilloscopio, dall'analizzatore, dal registratore o da un altro dispositivo di lettura. Come illustrato nella Figura 4, questa elaborazione del segnale può essere realizzata con due metodi diversi: (1) internamente al sensore mediante un circuito microelettronico; oppure (2) esternamente al sensore in una "scatola nera". (PCB utilizza il marchio registrato ICP® per indicare i sensori con microelettronica incorporata. I sensori privi di elettronica sono tipicamente indicati come sensori a carica).



Figura 4: Sistemi di sensori

Questi circuiti di elaborazione analogica svolgono le stesse funzioni generali, tra cui: (1) conversione in un segnale di tensione utile a bassa impedenza; (2) amplificazione/attenuazione del segnale; (3) filtraggio. Tuttavia, è importante notare che la posizione del circuito può essere fondamentale per il corretto funzionamento del sistema di rilevamento. Segue una descrizione più dettagliata di ciascun metodo.

Il sensore ICP® sarà discusso per primo. Questo concetto ha subito numerosi miglioramenti tecnici da quando è stato introdotto nel 1967. I circuiti sono diventati più piccoli, i prezzi dei componenti sono diminuiti e le capacità di elaborazione del segnale sono aumentate grazie ai circuiti integrati miniaturizzati e alle resistenze mirco hi-meg. Anche con questi miglioramenti, l'intento originario dell'idea rimane invariato: semplicità e facilità d'uso. Questo sistema a due fili utilizza un conduttore comune per l'alimentazione/segnale e un conduttore aggiuntivo per la massa del segnale. I circuiti integrati sono amplificatori di carica o di tensione in miniatura, a seconda del tipo di elemento di rilevamento. L'alimentazione di questi componenti proviene in genere da un alimentatore a corrente costante da 18 a 30 VCC, 2 mA. (A parte il prezzo, la convenienza e/o le caratteristiche, non vi è alcun vantaggio tecnico nell'avere una fonte di alimentazione a corrente costante esterna o incorporata nel dispositivo di lettura). La Figura 5 mostra uno schema dettagliato del sistema.



Figura 5: Sistema di sensori ICP

Le caratteristiche di questo sistema includono: (1) la microelettronica incorporata produce un segnale di tensione a bassa impedenza compatibile con la maggior parte delle apparecchiature di lettura; (2) richiede solo un condizionatore di segnale a corrente costante semplice e facile da usare, che si traduce in un costo inferiore per canale; (3) il segnale può essere trasmesso su lunghi cavi attraverso ambienti difficili senza perdita di qualità del segnale; (4) la temperatura di funzionamento del circuito è tipicamente limitata a 250 F (121 C) o talvolta a 325 F (154 C); (5) funziona con normali cavi coassiali o a coppie intrecciate a due conduttori; e (6) le caratteristiche del sensore (sensibilità e gamma di frequenza) sono fissate all'interno del sensore e sono indipendenti dalla tensione di alimentazione.

I sensori Charge Mode utilizzano la stessa struttura di rilevamento meccanico dei sensori ICP® , ma l'elettronica di elaborazione del segnale è collocata esternamente. Poiché i microcircuiti integrati non erano ancora stati sviluppati, i primi sensori piezoelettrici, sviluppati negli anni '50, funzionavano secondo questo principio. Questi sistemi di carica erano spesso difficili da far funzionare correttamente ed erano tradizionalmente costosi a causa del sofisticato amplificatore di carica esterno. (Oggi i sensori a carica vengono utilizzati solo in ambienti in cui la temperatura non consente l'uso di sensori con elettronica integrata.

Come ci si potrebbe aspettare, i sistemi in modalità di carica offrono vari vantaggi e svantaggi, tra cui: (1) il sensore emette un segnale ad alta impedenza che richiede un condizionamento prima di essere analizzato; (2) richiede un condizionatore di segnale esterno (amplificatore di carica da laboratorio, inseguitore di sorgente in linea, ecc.); (3) il segnale ad alta impedenza può essere contaminato da influenze ambientali come il movimento dei cavi, i segnali elettromagnetici e le interferenze a radiofrequenza; (4) poiché l'elettronica è esterna, alcuni modelli sono in grado di funzionare fino a 540 C; (5) richiede un cablaggio speciale a basso rumore; e (6) le caratteristiche del sensore (sensibilità e gamma di frequenza) sono variabili e possono essere variate commutando i componenti nel condizionatore di segnale esterno.

Conclusione

I sensori piezoelettrici offrono capacità uniche che non si trovano in altre tecnologie di rilevamento. Come discusso, vi sono alcuni vantaggi (come l'ampio intervallo di frequenza e ampiezza) e svantaggi (assenza di capacità di misura statica) a seconda della particolare applicazione. Pertanto, quando si sceglie un sensore specifico o una tecnologia di rilevamento, è importante prestare molta attenzione alle specifiche delle prestazioni.