Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Cảm biến áp điện hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu ứng áp điện.
Phần tử cơ bản của một cảm biến áp điện có cấu tạo tương tự một tụ điện được chế tạo bằng cách phủ hai bản cực lên hai mặt đối diện của một phiến vật liệu áp điện mỏng. Vật liệu áp điện thường dùng là thạch anh vì nó có tính ổn định và độ cứng cao. Tuy nhiên hiện nay vật liệu gốm (ví dụ gốm PZT) do có ưu điểm độ bền và độ nhạy cao, điện dung lớn, ít chịu ảnh hưởng của điện trường ký sinh, dễ sản xuất và giá thành chế tạo thấp cũng được sử dụng đáng kể.
Đặc trưng vật lý của một số vật liệu áp điện được trình bày trên bảng 16.1. Bảng 16.1
Vật liệu Độthẩmthấu Điệntrởsuất(Ω.m) ModunYoung(109N.m-2) Ứng lựccựcđại(107N.m-2)
Nhiệt độlàm việcTmax (oC) Thạch anh ε11=4,5 1012 Y11=80 10 550 Muối seignette ε11=350 >1010 Y11=19.3Y22=30 1,4 45 L.H. ε11=5.6 >1010 46 1,5 75 PZT5A ε11=1.700 1011 Y33=53 7-8 365
Dưới tác dụng của lực cơ học, tấm áp điện bị biến dạng, làm xuất hiện trên hai bản cực các điện tích trái dấu. Hiệu điện thế xuất hiện giữa hai bản cực tỉ lệ với lực tác dụng. Các biến dạng cơ bản xác định chế độ làm việc của bản áp điện. Trên hình 16.1 biểu diễn các biến dạng cơ bản của bản áp điện.
Hình 16.1: Các dạng biến dạng cơ bản
a) Theo chiều dọc b) Theo chiều ngang c) Cắt theo bề dày d) Cắt theo bề mặt
Trong nhiều trường hợp các bản áp điện được ghép thành bộ theo cách ghép nối tiếp hoặc song song.
Hình 16.2 : Cách ghép các phần tử áp điện
a) Hai phần tử song song b) Hai phần tử nối tiếp c) Nhiều phần tử song song
Trường hợp ghép song song hai bản áp điện (hình 16.2a), điện dung của cảm biến tăng gấp đôi so với trường hợp một bản áp điện. Khi ghép nối tiếp (hình 16.2b) điện áp hở mạch và trở kháng trong tăng gấp đôi nhưng điện dung giảm xuống còn một nửa. Những nguyên tắc trên áp dụng cho cả trường hợp ghép nhiều bản áp điện với nhau như biểu diễn trên hình 16.2c.