Geometrie di rilevamento per accelerometri piezoelettrici
Esistono tre metodi predominanti per indurre una sollecitazione su un cristallo piezoelettrico al fine di generare un'uscita elettrica.
- Compressione
- Taglio
- Flessione
Per un accelerometro, ogni tecnica offre determinate caratteristiche di prestazione, che possono rendere un progetto più appropriato per determinate applicazioni rispetto ad altri.
L'effetto piezoelettrico è una proprietà intrinseca del quarzo e una proprietà indotta di alcuni cristalli ceramici fabbricati. Gli accelerometri piezoelettrici sono costruiti con questi cristalli come elemento sensibile. Quando il cristallo subisce una sollecitazione dovuta alla forza applicata, gli ioni negativi e positivi si accumulano sulle superfici opposte del cristallo in quantità direttamente proporzionale alla forza applicata. Per un accelerometro, una massa sismica è accoppiata al cristallo. Quando è sotto l'influenza di un'accelerazione, la massa provoca una forza che agisce sul cristallo, generando così un'uscita elettrica proporzionale. Questa relazione di causa ed effetto è definita dalla legge del moto di Newton F=ma.
Il design a compressione (o modalità di compressione) offre il vantaggio di un numero ridotto di parti e di un'elevata rigidità, con conseguente gamma di frequenze elevate. Questo design tende a essere più suscettibile alla deformazione della base e agli effetti dei transitori termici, poiché il cristallo è in stretto contatto con la base dell'alloggiamento. Qualsiasi deformazione o influenza di espansione/contrazione della base viene facilmente trasmessa al cristallo, che può quindi rispondere con un'uscita non dovuta all'accelerazione e quindi con un errore. Di conseguenza, i modelli a compressione non sono consigliati per l'uso su pannelli metallici, che possono piegarsi, o in ambienti termicamente instabili.
Il design a taglio (o modalità a taglio) offre le migliori prestazioni complessive per un accelerometro.
Sono prevalenti le esecuzioni a taglio planare (che utilizzano piastre di cristallo) e anulare (che utilizzano un cristallo a forma di anello).
In ogni caso, il cristallo è fissato tra un palo centrale e una massa esterna. Maggiore è la massa collegata, maggiore è la forza di taglio applicata al cristallo per una determinata accelerazione. La struttura dell'accelerometro è rigida e offre una gamma di frequenze elevate; inoltre, poiché il cristallo non è in stretto contatto con la base, gli effetti di deformazione e i transitori termici sono ridotti al minimo.
I design a flessione offrono la possibilità di generare segnali di uscita eccezionalmente elevati, poiché il cristallo è sottoposto a livelli di stress elevati.
Queste esecuzioni utilizzano piastre di cristallo a forma rettangolare o di disco. La flessione del cristallo può avvenire per effetto della massa del cristallo stesso che si oppone all'accelerazione oppure, per aumentare la flessione, è possibile fissare o incollare al cristallo un peso aggiuntivo. Gli accelerometri a flessione sono meno rigidi rispetto a quelli a compressione o a taglio e quindi hanno una gamma di frequenze limitata. Inoltre, poiché il cristallo è sottoposto a livelli di stress elevati, si danneggiano più facilmente di altri tipi se esposti a urti o vibrazioni eccessive.