Пьезоэлектрические кабели

Вибрационные датчики, реализованные в виде кабелей, строятся на основе пьезоэ­лектрического эффекта: при сжатии внешней поверхности такого кабеля на его внут­реннем проводнике появляется электрический сигнал. Пьезоэлектрические кабели Vibracoax™ (Philips Electronic Instruments, Norcross, GA) используются для мониторин­га вибраций лопастей компрессора в самолетных двигателях турбинного типа. Такие кабели также применяются для обнаружения насекомых в хранилищах силоса и при анализе потока транспорта на автострадах. В последнем случае пьезоэлектрические кабели монтируются в дорожное покрытие перпендикулярно движению транспорта. При соответствующей установке и эксплуатации срок службы таких датчиков состав­ляет, по крайней мере, пять лет [12]. Эти датчики реагируют преимущественно на силы,

направленные вдоль вертикальной оси. Пьезоэлектрический кабель состоит из твер­дого медного кожуха, покрытого слоем изоляции, внешний диаметр которого состав­ляет 3 мм; плотно спрессованного пьезоэлектрического керамического порошка и внут­реннего медного стержня (рис. 8.15А). Обычно кабель заварен с одной стороны, а с другой стороны подсоединен к 50-ти омному кабелю расширения.

медный провод

оплетка

пластмас-совое/А1 покрытие

резиновая оболочка

Рис. 8.15 .Датчики в виде пьезоэлектрических кабелей. А — устройство кабеля Vibracoax, Б — полимерная пленка, используемая как компонент, вы­рабатывающий напряжение [13]

Другой метод реализации пьезоэлектрических кабелей заключается в исполь­зовании полимерной пленки из поливинилиден фторида (PVDF) в качестве од­ного из компонентов изоляции медного кабеля (рис. 8.15Б). Пленка из PVDF при соответствующем изготовлении обладает пьезоэлектрическими свойствами, что делает возможным построение на ее основе чувствительных элементов. Когда к кабелю прикладывается механическая сила, пьезоэлектрическая пленка сжима­ется и на ее поверхностях образуются электрические заряды противоположных знаков. Внутренний медный провод и оплетка используются в качестве электро­дов, собирающих заряды.

Для придания кабелю пьезоэлектрических свойств его чувствительный ком­понент (керамический порошок или полимерная пленка) должны пройти проце­дуру поляризации. Для этого кабель нагревается до температуры, близкой к тем­пературе Кюри, и для придания требуемой ориентации керамическим диполям в

канал из алюминия

эпоксидная смола+песок

пьезокабель

(А)

(Б)

Рис. 8.16. Применение пьезоэ­лектрических кабелей при мо­ниторинге дороги: А — установ­ка датчика в дорожное покры­тие, Б - форма выходных элек­трических сигналов

порошке или диполям полимера в пленке подвергается воздействию высокого напряжения, после чего охлаждается (высокое напряжение при этом не отключа­ется). Когда такой кабель вмонтирован в дорожное покрытие (рис. 8.16), необхо­димо произвести его калибровку, поскольку форма выходного электрического сиг­нала и его амплитуда зависят не только от свойств кабеля, но и от типа покрытия и грунта. Выходной сигнал пропорционален механическому напряжению, при­ложенному к кабелю Длинный кабель с тонким пьезоэлектрическим изоляцион­ным слоем обладает сравнительно низким выходным импедансом (600 пФ/м), что нехарактерно для пьезоэлектрических устройств. Такой пьезоэлектрический ка­бель имеет довольно широкий динамический диапазон (>200 дБ), способен по­чувствовать вибрации малой амплитуды от дождя и града, при этом его выходной сигнал сохранит свою линейность даже при движении по дороге тяжелых грузо­виков. Кабели данного типа выдерживают давление до 100 МПа и работают в тем­пературном диапазоне —40...+125°С. В таблице 8.2 приведены типовые парамет­ры пьезокабелей

Литература

1 Articolo, G A Shock impulse response of a force balance servo-accelerometer
In Sensors Expo West Proceedings Helmers Publishing, 1989

2 Sensor signal conditioning an 1С designer's perspective Sensors Magazine, 23-30,1991

3 Alien, H , Terry, S , and De Bruin, D Accelerometer system with self-testable features Sensors
Actuators 20, 153-161, 1989

4 Suminto, J T A simple, high performance piezoresistive accelerometer In Trans-ducers'91, 1991
International Conference on Sohd-State Sensors and Actuator's Digest of Technical Papers, IEEE,
New York, 1991, pp

5 Hantsuka, R , van Duyn, D S , Otaredian, T, and de Vnes, P A novel accelerom-eter based on a silicon
thermopile In Transducers '91 International Conference on Solid-State Sensors and Actuators Digest of
Technical Papers IEEE, New York, 1991, pp 420-423

6 Fox, С H J and Hardie, D S W Vibratory gyroscopic sensors Symposium Gyro Technology (DGON), 1984

7 Boxenhom, В В , Dew В , and Greiff, P The micromechanical inertial guidance system and its
applications In 14th Biennial Guidance Test Symposium, 6588th Test Group, Holloman AFB,
New Mexico, Oct 3-5, 1989

8 Vamham, M P, Hodgins, D , Norm, TS , and Thomas, H D Vibrating planar gyro U S patent
5,226,321, 1993

9 Udd, E Fiber optic sensors based on the Sagnac interferometer and passive ring resonator In Fiber
Optic Sensors E Udd, ed John Wiley & Sons, New York, 1991,pp 233-269

10 Ezekiel, S and Arditty, H, J , eds Fiber-Optic Rotation Sensors Springer Series in Optical Sciences
Vol 32, Springer-Verlag, New York, 1982

11 Fredericks, R J , and Ulnch, R Phase error bounds of fiber gyro with imperfect polarizer/depolarizer
Electron Lett 29, 330, 1984

12 Bailleui, G Vibracoax piezoelectric sensors for road traffic analysis Sensor Expo Proceedings,
Helmers Publishing, 1991

13 Radice, P F Piezoelectric sensors and smart highways In Sensors Expo Proceedings Helmers
Publishing, 1991

14 Piezo Film Sensors Technical Manual Measurement Specialties, Inc , Fail-field, NJ , April 1999,
available at www msiusa com

Поиск по сайту: