16.2 Piezoelectric Pressure Sensors

16.2 Piezoelectric Pressure Sensors Roland Sommer and Paul Engeler, Kistler Instrumente AG The brothers Pierre and Jacques Curie discovered the piezoelectric effect in 1880. They found that some crystalline materials were generating an electrical polariza- tion when subjected to a mechanical load along some crystal directions. Among the materials they investigated were quartz and tourmaline, two crystals which are today still often used in piezoelectric sensors. The first piezoelectric pressure sensor was reported around 1920, but commercial sensors were not available until the 1950s, when electrometer tubes of sufficient quality became available. Today, piezoelectric pressure sensors are widely used in laboratories and in production. The main applica- tions are found in combustion engines, injection molding and ballistics, but they can be used in any field requiring accurate measurements or monitoring of pressure varia- tions. The main advantages of piezoelectric sensors are: ■ wide measuring range (span to threshold ratio up to 108) ■ high rigidity (high natural frequency) ■ high linearity between output signal and applied load ■ high reproducibility and stability of the properties (when single crystals are used) ■ wide operating temperature range ■ insensitive to electric and magnetic fields It is often stated that piezoelectric transducers based on the direct piezoelectric effect can only be used for dynamic measurements. This is partly true, as they react only to a change in the load and hence cannot perform true static measurements. However, a good sensor with a sensing element made of single crystal material, in conjunction with adequate electronics, can be used for accurate measurements down to 0.1 mHz. In other words, quasistatic measurements lasting up to a few hours are possible. This chapter will give an insight about the design, properties and applications of piezoelectric pressure sensors based on the direct piezoelectric effect (charge genera- tion under mechanical load). These sensors are called active sensors, as they do not need any external power supply. They have a charge output which requires an external charge to voltage converter. Essentially, there are two types of converters, the elec- trometer and the charge amplifier. The charge amplifier was invented by W.P. Kistler in 1950 and gradually replaced electrometers during the 1960’s. The introduction of MOSFET or JFET circuitry and the development of high insulating materials such as Teflon™ and Kapton™ greatly improved performance and propelled the field of piezoelectric measurements into all areas of modern technology.

Kết quả (Việt) 1:

16.2 áp điện áp lực cảm biến Roland Sommer và Paul Engeler, Kistler Instrumente AG brothers Pierre và Jacques Curie đã phát hiện ra các hiệu ứng áp điện vào năm 1880. Họ đã tìm thấy rằng một số vật liệu tinh thể đã tạo ra một điện polariza-tion khi phải chịu một tải cơ khí dọc theo một số hướng dẫn pha lê. Trong số các tài liệu mà họ điều tra là thạch anh và đá tourmaline, hai tinh thể mà hôm nay vẫn thường được sử dụng trong bộ cảm biến áp điện. Cảm biến áp điện áp suất chính báo cáo khoảng năm 1920, nhưng bộ cảm biến thương mại đã không có sẵn cho đến những năm 1950, khi tên ống sufficient chất lượng đã trở thành có sẵn. Hôm nay, bộ cảm biến áp điện áp lực được sử dụng rộng rãi trong phòng thí nghiệm và trong sản xuất. Applica-tions chính được tìm thấy trong động cơ đốt trong, ép nhựa và đạn đạo, nhưng họ có thể được sử dụng trong bất kỳ quấn yêu cầu đo đạc chính xác hoặc giám sát áp suất varia-tions. Những lợi thế chính của bộ cảm biến áp điện là: ■ rộng đo tầm (nhịp ngưỡng tỷ lệ lên đến 108) ■ siêu cứng (cao tần) ■ cao linearity giữa đầu ra tín hiệu và ứng dụng tải ■ reproducibility cao và ổn định của các thuộc tính (khi tinh thể duy nhất được sử dụng) ■ rộng hoạt động nhiệt độ khoảng ■ insensitive với fields điện và từ đó thường là tuyên bố rằng bộ cảm biến dựa trên các hiệu ứng áp điện trực tiếp có thể chỉ được sử dụng để đo lường năng động. Đây là một phần đúng, vì chúng phản ứng chỉ với một thay đổi trong tải và do đó không thể thực hiện các đo đạc tĩnh thực sự. Tuy nhiên, một cảm biến tốt với một phần tử cảm biến, làm bằng vật liệu tinh thể duy nhất, kết hợp với đầy đủ các thiết bị điện tử, có thể được sử dụng cho các phép đo chính xác xuống 0.1 mHz. Nói cách khác, số đo quasistatic kéo dài đến một vài giờ có thể được. Chương này sẽ cung cấp cho một cái nhìn sâu sắc về thiết kế, tính chất và ứng dụng của bộ cảm biến áp điện áp lực dựa trên các hiệu ứng áp điện trực tiếp (phí chi-tion dưới tải cơ khí). Các cảm biến được gọi là hoạt động cảm biến, vì họ không cần bất kỳ nguồn điện bên ngoài. Họ có một khoản phí đầu ra mà đòi hỏi một khoản phí bên ngoài để chuyển đổi điện áp. Về cơ bản, hiện có hai loại chuyển đổi, elec-trometer và amplifier phí. Amplifier phí được phát minh bởi W.P. Kistler năm 1950 và dần dần thay thế electrometers trong những năm 1960. Sự ra đời của MOSFET hoặc JFET mạch và sự phát triển của vật liệu cách nhiệt cao như Teflon™ và Kapton™ rất nhiều cải tiến hiệu suất và đẩy quấn các đo đạc áp vào mọi lĩnh vực của công nghệ hiện đại.

Kết quả (Việt) 2:

16,2 áp điện Cảm biến áp suất Roland Sommer và Paul Engeler, Kistler INSTRUMENTE AG Hai anh em Pierre và Jacques Curie phát hiện ra hiệu ứng áp điện vào năm 1880. Họ phát hiện ra rằng một số vật liệu tinh thể được tạo ra một sự polariza- điện khi chịu một tải cơ cùng một số định hướng tinh thể. Trong số các vật liệu mà họ điều tra là thạch anh và tourmaline, hai tinh thể mà ngày nay vẫn thường được sử dụng trong các cảm biến áp điện. Cảm biến áp suất áp điện fi đầu tiên được báo cáo vào khoảng năm 1920, nhưng cảm biến thương mại cho tới tận những năm 1950, khi ống điện kế của h.tố chất lượng fi cient trở nên có sẵn. Hôm nay, cảm biến áp suất áp điện được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm và trong sản xuất. Việc những ứng dụng chính được tìm thấy trong các động cơ đốt trong, ép phun và đạn đạo, nhưng chúng có thể được sử dụng trong bất kỳ lĩnh fi đòi hỏi các phép đo chính xác hoặc giám sát tions áp biến thiên. Các ưu điểm chính của cảm biến áp điện là: ■ dải đo rộng (span ngưỡng tỷ lệ lên đến 108) ■ độ cứng cao (tần số tự nhiên cao) ■ tuyến tính cao giữa tín hiệu đầu ra và áp dụng tải ■ tái lặp cao và ổn định của tài sản (khi các đơn tinh thể được sử dụng) ■ phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng ■ không nhạy cảm với ruộng điện và từ fi ta thường nói rằng đầu dò áp điện dựa trên hiệu ứng áp điện trực tiếp chỉ có thể được sử dụng để đo năng động. Điều này đúng một phần, vì họ chỉ phản ứng với một sự thay đổi trong tải và do đó không thể thực hiện các phép đo tĩnh đúng. Tuy nhiên, một bộ cảm biến tốt với một phần tử cảm biến làm bằng vật liệu đơn tinh thể, kết hợp với các thiết bị điện tử đầy đủ, có thể được sử dụng để đo chính xác đến 0,1 MHz. Nói cách khác, phép đo quasistatic kéo dài đến vài giờ là có thể. Chương này sẽ cung cấp cho một cái nhìn sâu sắc về thiết kế, tính năng và ứng dụng của cảm biến áp suất áp điện dựa trên hiệu ứng áp điện trực tiếp (tính phí sự genera- dưới tải cơ khí). Những cảm biến này được gọi là cảm biến tích cực, như là họ không cần bất kỳ nguồn điện bên ngoài. Họ có một lượng phí mà đòi hỏi một khoản phí bên ngoài để chuyển đổi điện áp. Về cơ bản, có hai loại bộ chuyển đổi, các trometer bầu cử và phí ampli fi er. Phí ampli fi er được phát minh bởi WP Kistler vào năm 1950 và dần dần thay thế electrometers trong những năm 1960. Sự ra đời của MOSFET hoặc mạch JFET và sự phát triển của vật liệu cách nhiệt cao như Te fl on ™ và Kapton ™ cải thiện đáng kể hiệu suất và đẩy thực địa của các phép đo áp điện vào mọi lĩnh vực của công nghệ hiện đại.