Detectiegeometrieën voor piëzo-elektrische versnellingsmeters
Er zijn drie overheersende methoden om spanning op een piëzo-elektrisch kristal uit te oefenen om een elektrisch vermogen te genereren.
- Compressie
- Afschuiving
- Flexie
Voor een versnellingsmeter biedt elke techniek bepaalde prestatiekenmerken, waardoor het ene ontwerp geschikter kan zijn voor bepaalde toepassingen dan het andere.
Het piëzo-elektrisch effect is een inherente eigenschap van kwarts en een geïnduceerde eigenschap van bepaalde gefabriceerde keramische kristallen. Piëzo-elektrische versnellingsmeters worden gemaakt met dergelijke kristallen als sensorelement. Wanneer het kristal spanning ondergaat als gevolg van een toegepaste kracht, zullen negatieve en positieve ionen zich ophopen op de tegenoverliggende oppervlakken van het kristal in een hoeveelheid die recht evenredig is met de toegepaste kracht. Voor een versnellingsmeter wordt een seismische massa aan het kristal gekoppeld. Onder invloed van een versnelling zal de massa een kracht op het kristal uitoefenen en zo een proportionele elektrische output genereren. Deze oorzaak-gevolgrelatie wordt gedefinieerd door de bewegingswet van Newton F=ma.
Het compressieontwerp (of compressiemodus) biedt het voordeel van weinig onderdelen en een hoge stijfheid, wat leidt tot een hoog frequentiebereik. Dit ontwerp is meestal gevoeliger voor basisvervorming en thermische transiënte effecten omdat het kristal in nauw contact staat met de basis van de behuizing. Elke rek of uitzetting/krimping op de basis wordt gemakkelijk doorgegeven aan het kristal, dat dan kan reageren met een uitgang die niet het gevolg is van versnelling en dus fout is. Daarom worden compressieontwerpen niet aanbevolen voor gebruik op metalen panelen, die kunnen buigen, of in thermisch onstabiele omgevingen.
Het afschuifontwerp (of afschuifmodus) biedt de beste algemene prestaties voor een versnellingsmeter.
Planaire afschuifontwerpen (met kristalplaten) en ringvormige afschuifontwerpen (met een ringvormig kristal) zijn gangbaar.
Bij elke stijl wordt het kristal geklemd tussen een middenstijl en een buitenmassa. Hoe meer massa is bevestigd, hoe meer schuifkracht wordt uitgeoefend op het kristal voor een gegeven versnelling. De structuur van de versnellingsmeter is stijf, wat een hoog frequentiebereik mogelijk maakt en omdat het kristal niet in nauw contact staat met de basis, worden spannings- en thermische transiënte effecten geminimaliseerd.
Flexurale ontwerpen bieden de mogelijkheid om uitzonderlijk hoge uitgangssignalen te genereren omdat het kristal wordt blootgesteld aan hoge spanningsniveaus.
Deze ontwerpen gebruiken kristalplaten die rechthoekig of schijfvormig zijn. De buiging van het kristal kan optreden als gevolg van de eigen massa van het kristal tegen de versnelling in, of om de buiging te versterken kan er extra gewicht op het kristal geklemd of gelijmd worden. Versnellingsmeters met buigmodus zijn minder stijf in vergelijking met compressie- of afschuifontwerpen, waardoor ze een beperkt frequentiebereik hebben. Omdat het kristal wordt blootgesteld aan hoge spanningsniveaus, raken ze ook gemakkelijker beschadigd dan andere types als ze worden blootgesteld aan buitensporige schokken of trillingen.