Piezoelectrictiy
"Piezo"는 "압착하다"를 의미하는 그리스어입니다. 압전 소자가 외력에 의해 변형 될 때 변위 된 전하가 반대쪽 표면에 축적됩니다. 그림 1은 자연 압전 수정에서 격자의 편향으로 인한 전하의 변위를 보여줍니다. 큰 원은 실리콘 원자(Si+)를 나타내고 작은 원은 산소(O-)를 나타냅니다. 천연 또는 고품질 형태의 결정질 석영은 가장 민감하고 안정적인 압전 재료 중 하나입니다.
[그림 1] 압전소자 구조
자연석인 석영 크리스탈 외에도 인공석인 다결정 압전 세라믹이 있습니다. 큰 전기장의 적용에 의해 압전 상태가되는 이러한 물질은 매우 높은 전하 출력을 생성합니다. 이 특성은 저잡음 측정 시스템에 사용하기에 이상적입니다. 장단점은 아래 표에 나열 하였습니다.
석영 (자연석, Quartz Crystal) | 세라믹 (인공석, Polycrystalline Ceramic) |
naturally piezoelectric material | artificially polarized, man-made material |
high voltage sensitivity | high charge sensitivity |
stiffness comparable to steel | unlimited availability of sizes and shapes |
exhibits excellent long term stability | materials available which operate at 1000 F (540 C) |
non-pyroelectric | output due to thermal transients (pyroelectric) |
low temperature coefficient | characteristics vary with temperature |
[표 1] 압전소자 비교
압전 센서에는 다양한 크기와 모양의 압전 재료를 사용할 수 있습니다. 정밀 스프링 역할을 하는 그림 2에 표시된 3가지 구성은 다양한 장점과 단점을 제공합니다. (빨간색은 압전 결정을 나타내고 화살표는 재료에 응력이 가해지는 방식을 나타냅니다. 진동센서(가속도계, 가속도센서)는 일반적으로 회색으로 표시되는 지진 질량을 가집니다.)
- 압축형 (Compression) 디자인은 높은 강성을 특징으로하여 고주파 압력 및 힘 센서에서 구현하는 데 유용합니다. 단점은 열에 다소 민감하다는 것입니다.
- 굴곡형 (Flexural) 디자인은 주파수 범위가 낮으며, 충격에 약합니다.
- 전단 (Shear) 디자인은 일반적으로 가속도계에서 사용됩니다. 넓은 주파수 범위, 낮은 축외 감도, 기본 변형에 대한 낮은 감도 및 열 입력에 대한 낮은 감도의 균형 잡힌 혼합을 제공하기 때문입니다.
[그림 2] 압전소자 배치 방법
15E6 psi (104E9 N / m2) 정도의 강성 값으로 압전 재료는 변형이 거의 없이 높은 출력을 생성합니다. 즉, 압전 감지 요소는 본질적으로 편향이 없으며 고체 상태 장치라고도합니다. 이러한 이유 때문에 압전 센서는 매우 견고하고 넓은 진폭 범위에서 우수한 선형성을 제공합니다. 사실, 적절하게 설계된 신호 컨디셔너와 결합 될 때 압전 센서는 일반적으로 120dB 정도의 동적 진폭 범위 (즉 : 최대 측정 범위 대 잡음비)를 갖습니다. 즉, 1축 가속도계는 0.0001g에서 최대 100g까지 가속 수준을 측정 할 수 있습니다!
또한, 압전 재료는 동적 또는 변화하는 이벤트 만 측정 할 수 있다는 것입니다. 일반적으로 압전 센서는 관성 유도, 기압 또는 중량 측정의 경우와 같이 지속적인 정적 이벤트를 측정 할 수 없습니다. 정적 이벤트로 인해 초기 출력이 발생하지만이 신호는 압전 재료 또는 부착 된 전자 시간 상수에 따라 천천히 감쇠 (또는 배수)됩니다. 이 시간 상수는 1 차 고역 통과 필터에 해당하며 장치의 커패시턴스 및 저항을 기반으로합니다. 이 고역 통과 필터는 궁극적으로 장치의 저주파 차단 또는 측정 한계를 결정합니다.
Structures 및 Theory
일반적인 힘, 압력 및 가속도 센서(가속도계, 진동센서)의 구조는 그림 3과 같습니다. (회색은 실험 구조물을 나타냅니다. 파란색은 센서 하우징에 해당합니다. 압전 크리스탈은 빨간색으로, 검은 색 전극은 전하가 나오는 곳입니다. 결정은 노란색의 마이크로 회로에 의해 조절되기 전에 축적됩니다. 가속도계는 또한 녹색으로 표시되는 질량을 고려합니다.) 내부 구성에는 거의 차이가 없습니다. 운동을 측정하는 가속도계에서 고정 지진 질량 'M'은 결정이 부착 된 바닥과 구조물의 운동을 따르도록 강제합니다. 결정에 가해지는 힘은 뉴턴의 운동 제 2 법칙 : F = MA를 사용하여 쉽게 계산됩니다. 압력 및 힘 센서는 거의 동일하며 결정을 변형시키기 위해 외부 힘에 의존합니다. 주요 차이점은 압력 센서가 압력을 수집하기 위해 다이어프램을 사용한다는 것입니다. 이는 단순히 영역에 적용되는 힘입니다.
[그림 3] 힘, 압력, 가속도 센서 구조
유사성 때문에 하나의 특정 매개 변수를 측정하도록 설계된 센서는 다른 입력 변수에도 다소 민감합니다. 원하지 않는 이벤트에 대한 민감도를 최소화함으로써 센서는 의도 한 매개 변수를 보다 정확하게 측정 할 수 있습니다. 예를 들어, 정교한 압력 센서는 종종 보상 요소를 사용하여 진동에 대한 민감도를 줄입니다. 어떤 센서는 열 보상 증폭기를 사용하여 센서의 전체 열 계수를 줄입니다. 가속도계는 전단 구조 방식으로 열, 가로 운동 및 기본 변형의 영향을 줄입니다.
Signal Conditioning
감지 요소가 아마도 바람직한 출력을 생성 한 후 이 신호는 오실로스코프 (Oscilloscope), 분석기 (Analyzer), 레코더 (Recorder) 또는 기타 판독 장치 (Readout device)에 의해 분석되기 전에 조정되어야합니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 신호 처리는 두 가지 다른 방법으로 할 수가 있습니다.
[그림 4] IEPE(ICP,CCLD) 또는 Charge 센서 연결 방식
이러한 아날로그 처리 회로는 다음과 같은 일반적인 기능을 제공합니다. (1) 유용한 낮은 임피던스, 전압 신호로의 변환 (2) 신호 증폭 / 감쇠 및 (3) 필터링. 그러나 회로의 위치가 감지 시스템의 적절한 작동에 중요 할 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 각 방법에 대한 자세한 설명은 다음과 같습니다.
IEPE (ICP, CCLD, Isotron, Deltatron 등) 센서에 대해 먼저 살펴 보겠습니다. 이 개념은 1967 년 발전된 이래로 상당한 기술적 개선을 경험했습니다. 즉, 소형 집적 회로 및 mirco hi-meg 저항의 결과로 회로가 더 작아지고 부품 가격이 하락하며 신호 처리 기능이 증가했습니다. 이러한 개선에도 불구하고 아이디어의 원래 의도는 변경되지 않고 그대로 유지됩니다. 단순성과 사용 용이성. 이 2 선식 시스템은 전원 / 신호용 공통 도체와 신호 접지 용 추가 도체를 사용합니다. 내장 회로는 감지 요소 유형에 따라 소형 전하 또는 전압 증폭기입니다. 이러한 구성 요소에 대한 전력은 일반적으로 18 ~ 30VDC, 2mA 정전류 공급에서 제공됩니다. (가격, 편의성 및 또는 기능 외에도 외부 또는 판독 장치에 내장 된 정전류 전원을 사용하는 데 따른 기술적 이점은 없습니다.) 자세한 시스템 회로도는 그림 5에 나와 있습니다.
[그림 5] IEPE (ICP, CCLD, Isotron, Deltatron 등) 센서 시스템
이 시스템의 특징은 다음과 같습니다. (1) 내장 된 마이크로 전자 장치가 대부분의 판독 장비와 호환되는 낮은 임피던스, 전압 신호를 생성합니다. (2) 간단하고 사용하기 쉬운 정전류 신호 컨디셔너 만 있으면 채널당 비용이 낮아집니다. (3) 신호 품질의 손실없이 열악한 환경을 통해 긴 케이블을 통해 신호를 전송할 수 있습니다. (4) 회로의 작동 온도는 일반적으로 121C (250F) 또는 때로는 154C (325F)로 제한됩니다. (5) 일반 동축 또는 연선 케이블 사용이 가능 합니다. (6) 센서의 특성 (감도 및 주파수 범위)은 센서 내에서 고정되고 공급 전압과 무관합니다.
Charge 모드 센서는 IEPE (ICP, CCLD) 센서와 동일한 기계적 감지 구조를 사용하지만 신호 처리 전자 장치는 외부에 배치됩니다. 통합 된 마이크로 회로가 아직 개발되지 않았기 때문에 1950 년대에 개발 된 최초의 압전 센서 원칙에 따라 작동했습니다. 이러한 Charge 센서는 종종 제대로 작동하기가 어려웠고 정교한 외부 충전 증폭기로 인해 전통적으로 비용이 많이 들었습니다. (대안적인 저가형 인라인 장치가 점점 더 대중화되고 있음) 오늘날 Charge 센서는 일반적으로 온도가 높은 환경에서만 주로 사용됩니다.
예상 할 수 있듯이 Charge 모드 시스템은 다음과 같은 다양한 장단점을 제공합니다. (1) 센서는 분석 전에 컨디셔닝이 필요한 높은 임피던스 신호를 출력합니다. (2) 외부 신호 컨디셔너 (실험실 전하 증폭기, 인라인 소스 장치 등)가 필요합니다. (3) 높은 임피던스 신호는 케이블 이동, 전자기 신호 및 무선 주파수 간섭과 같은 환경 적 영향에 의해 오염 될 가능성이 있습니다. (4) 전자 장치가 외부에 있기 때문에 특정 모델은 최대 540C (1000F)에서 작동 할 수 있습니다. (5) 특수 저잡음 케이블이 필요합니다. (6) 센서의 특성 (감도 및 주파수 범위)은 가변적이며 외부 신호 조절기의 구성 요소를 전환하여 범위를 지정할 수 있습니다.
Conclusion
압전 소자 센서는 일반적으로 다른 감지 기술에서 볼 수 없는 고유 한 기능을 제공합니다. 논의 된 바와 같이 특정 응용 분야에 따라 특정 장점 (넓은 주파수 및 진폭 범위 등)과 단점 (정적 측정 기능 없음)이 있습니다. 따라서 특정 센서 또는 센서 기술을 선택할 때 성능 사양에 세심한주의를 기울이는 것이 중요합니다.
[참고 : IEPE = ICP = CCLD = DeltaTron = Isotron 용어]
- IEPE (Integrated Electronic Piezoelectric) : Kistler (스위스) 등 일반적인 가속도계 제작사 사용
- ICP (Integrated Circuit Piezoelectric) : PCB Piezotronics 사 (미국) 사용
- DeltaTron : B&K 사 (덴마크) 사용
- Isotrion: Endevco (MEGGITT) 사 (미국) 사용
- CCLD (Constant Charge Line Drive) : B&K 사 (덴마크) 사용
[참고 : 대표적인 압전소자 센서를 제작하는 곳]
- Kistler (스위스) : 가속도센서(진동센서, 가속도계), 압력센서, 힘센서, 임팩트해머 등
- PCB Piezotronics (미국) : 가속도센서(진동센서, 가속도계), 압력센서, 힘센서, 임팩트해머 등
- Bruel & Kjaer (B&K) (덴마크) : 분석기, 가속도센서(진동센서, 가속도계), 힘센서 등
- Endevco (PCB) (미국) : 가속도센서(진동센서, 가속도계), 압력센서 등
- Dytran (미국) : 가속도센서(진동센서, 가속도계), 압력센서, 힘센서, 임팩트해머 등
- MMF (독일) : 가속도센서(진동센서, 가속도계), 힘센서 등
- YMC Piezotronics (중국) : 가속도센서(진동센서, 가속도계), 압력센서, 힘센서, 임팩트해머, 가진기 등
.png)
댓글
댓글 쓰기