terjemahan sensor

8/18/2019 Terjemahan Sensor

1/9

16,2 Sensor Tekanan piezoelectric

Roland Sommer dan Paul Engeler, Kistler Instrumente AG

Saudara-saudara Pierre dan Jacques Curie menemukan efek piezoelektrik pada

tahun 1880. Mereka menemukan baha beberapa bahan kristal !an"

men"hasilkan polarisasi listrik ketika men"alami beban mekanik bersama

beberapa arah kristal. #i antara bahan mereka !an" diselidiki adalah kuarsa dan

turmalin$ dua kristal !an" saat ini masih serin" di"unakan dalam sensor

piezoelektrik. %an" pertama sensor tekanan piezoelektrik dilaporkan sekitar tahun

1&'0$ tapi sensor komersial tidak tersedia sampai tahun 1&(0-an$ ketika tabun"

elektrometer !an" kualitasn!a memadai men)adi tersedia. *ari ini$ sensor tekanan

piezoelektrik secara luas di"unakan di laboratorium dan di produksi. +plikasiutama !an" ditemukan dalam mesin pembakaran$ in)ection moldin" dan balistik$

tetapi mereka dapat di"unakan dalam medan !an" membutuhkan pen"ukuran

!an" akurat atau pemantauan dari ,ariasi tekanan. euntun"an utama dari sensor

piezoelektrik adalah

• lebar rentan" pen"ukuran /rentan" rasio threshold hin""a 10 8

• kekakuan tin""i /frekuensi alami tin""i

• linearitas !an" tin""i antara sin!al output dan beban !an" diterapkan.

• reproduktifitas tin""i dan stabilitas sifat /ketika kristal tun""al !an"

di"unakan

• rentan" suhu operasional !an" luas

• sensitif terhadap medan listrik dan ma"netik

*al ini serin" men!atakan baha transduser piezoelektrik berdasarkan efek

piezoelektrik lan"sun" han!a dapat di"unakan untuk pen"ukuran dinamis. *al iniseba"ian benar$ karena mereka bereaksi han!a untuk perubahan beban dan

karenan!a tidak dapat melakukan kebenaran pen"ukuran statis. amun$ sensor

!an" baik den"an elemen pen"inderaan terbuat dari bahan kristal tun""al$ dalam

hubun"ann!a den"an elektronik !an" memadai$ dapat di"unakan untuk

pen"ukuran akurat ke 0$1 m*z. #en"an kata lain$ pen"ukuran quasistatic

berlan"sun" hin""a beberapa )am !an" mun"kin.

2ab ini akan memberikan aasan tentan" desain$ sifat dan

aplikasi sensor tekanan piezoelektrik berdasarkan efek piezoelektrik lan"sun"

/beban "enerasi di baah beban mekanik. Sensor ini disebut sensor aktif$ karena

mereka tidak memerlukan catu da!a eksternal. Mereka memiliki output muatan


2/9

!an" membutuhkan bia!a eksternal untuk te"an"an con,erter. Pada dasarn!a$ ada

dua )enis kon,erter$ elektrometer dan pen"uat beban. Muatan pen"uat diciptakan

oleh 3P istler pada tahun 1&(0 dan secara bertahap di"anti elektrometer selamatahun 1&40-an. pen"enalan M5S67 atau J67 sirkuit dan pen"emban"an bahan

isolasi tin""i seperti eflon9 dan apton9 san"at menin"katkan kiner)a dan

mendoron" lapan"an dari piezoelektrik pen"ukuran ke dalam semua bidan"

teknolo"i modern.

teknologi Fundamental

piezoelektrik

Piezoelektrik pada dasarn!a didefinisikan seba"ai interaksi elektromekanis linear

dalam bahan !an" tidak memiliki pusat simetri. Salah satu !an" membedakan

lan"sun" dan efek piezoelektrik sebalikn!a. #alam kasus pertama$ beban mekanis

atau deformasi kristal men"induksi muatan proporsional atau potensial

listrik. #alam kasus kedua$ sebuah medan listrik diterapkan untuk kristal

men"induksi deformasi mekanik atau beban sebandin" den"an lapan"an. #alam

tulisan ini$ kita akan fokus pada sensor tekanan berdasarkan pen"aruh

piezoelektrik lan"sun" sa)a$ !an" dapat di"ambarkan den"an cara berikut

D : ε ; E


3/9

Pemotongan longitudinal dan melintang, efek Volume

#alam poton"an lon"itudinal$ permukaan A Q th di mana muatan Q diinduksiadalah sama den"an permukaan A !an" beban /"a!a F diterapkan. Sensiti,itas

piezoelektrik semata-mata ter"antun" pada membu)ur piezoelektrik

koefisien d F. Sebalikn!a$ di poton"an melintan"$ induksi bia!a dan diterapkan beban tidak berba"i permukaan !an" sama. Sensiti,itas ter"antun" baik pada

melintan" piezoelektrik koefisien d L dan rasio permukaan A Q > A /?ambar 14.'.1.

membu)ur poton" Q = d F · F

melintan" cut Q = d LT · F · A Q / A F = d · F · l / t

di mana l dan t adalah pan)an" dan ketebalan slab.

euntun"an dari pemoton"an melintan" adalah baha sensiti,itas dapat

ditin"katkan den"an T T faktor "eometri l > t, memberikan lon"itudinal dantrans,ersal koefisien piezoelektrik koe fi adalah sama. *al ini selalu ter)adi untuk

kuarsa dan semua kristal milik simetri kristal !an" sama kuarsa. @ntuk turmalin$

lithium niobate$ lithium tantalit dan piezoceramics$ melintan" koefisien han!a

1>10 th ke 1>A rd dari lon"itudinalcoef fi sienB oleh karena itu$ pemoton"an

melintan" )aran" di"unakan.

Gambar 16.2.1: Longitudinal cut !iri": bia#a indu!si danditera$!an

!e!uatan berbagi $ermu!aan #ang sama. %elintang cut tenga&": bia#a tida!

diindu!si $ada $ermu!aan #ang sama di mana ga#aditera$!an. 'olume

e(e! !anan": te!anan &idrostati! ditera$!an untu! sam$el,


4/9

bia#a #ang di&asil!an dari dua $ermu!aan #ang berla)anan.

2aik lon"itudinal dan efek melintan" pada dasarn!a uniaksial. ekanan !an" akandiukur diubah men)adi sebuah kekuatan uniaksial oleh diafra"ma. Pen"aruh

olume berbeda dari efek uniaksial dalam "a!a diterapkan pada semua

permukaan dari elemen pen"inderaan. Sensiti,itas adalah )umlah dari lon"itudinal

dan kontribusi melintan".

7fek olume D : (d mana d h L · p + 2 · d T · p) · A Q = d h · p · A Q

#i mana dh adalah hidrostatik piezoelektrik koefisien dan p tekananditerapkan. Perhatikan baha hidrostatik piezoelektrik koefisien selalu nol untuk

kuarsa dan semua kristal memiliki simetri !an" sama kuarsa. 7fek olume

terutama di"unakan dalam "elomban" shock sensor atau aplikasi hidrofon$ dimana arah propa"asi "elomban" tekanan tidak diketahui.

@ntuk lon"itudinal$ trans,ersal dan ,olume efek$ beban diterapkan te"ak lurus

terhadap permukaan piezoelectricall! aktif. Pemoton"an "eser$ di mana beban

diterapkan se)a)ar den"an permukaan$ pada prinsipn!a bisa di"unakan$ tapi tidak

akan secara berarti menin"katkan sifat.

bahan piezoelektrik

7lemen pen"inderaan adalah )antun" dari transduser dan harus karenan!a dipilih peraatan penuh. 7lektronik atau peran"kat lunak kompensasi untuk EburukE sifat

kristal !an" hampir tidak mun"kin. Sensiti,itas tin""i$ hambatan isolasi !an"

tin""i$ kekuatan mekanik !an" tin""i$ kekakuan tin""i$ rendah keter"antun"an

suhu properti pada rentan" temperatur !an" luas$


5/9

anisotrop! rendah$ hubun"an linear antara bia!a dan stres mekanik$ tidak ada

penuaan$ tidak ada piroelektrisitas /tidak sensitif terhadap perubahan suhu$

machin abilit! baik$ manufaktur rendah bia!a-ini adalah beberapa pers!aratan

untuk bahan piezoelektrik !an" baik. entu sa)a$ bahan !an" ideal ful isian semua

kriteria !an" disebutkan di atas tidak ada.

uarsa telah di"unakan secara luas dalam beberapa tahun terakhir dan masih

bahan pilihan ba"i seba"ian besar sensor tekanan. *al ini san"at stabil$ memiliki

kekuatan mekanik !an" san"at tin""i$ dapat di"unakan sampai F00 G C$ memiliki

sifat isolasi listrik !an" luar biasa$ memiliki minimal sensiti,itas pen!impan"ansampai A(0 G C /den"an pemoton"an kristal khusus$ tidak p!roelectric$ dan

tersedia den"an bia!a rendah. Satu-satun!a kelemahan dari kuarsa sensiti,itas

!an" relatif rendah dan kecenderun"an untuk kembar di baah beban !an" san"at

tin""i.

ourmaline memiliki sensiti,itas lebih rendah dari kuarsa$ namun rentan" suhu

meluas ke setidakn!a 400 G C. amun$ p!roelectric dan han!a tersedia seba"ai

kristal alami. Hithium niobate dan lithium tantalit memiliki sensiti,itas !an" lebih

tin""i$ tetapi mereka san"at p!roelectric dan tahanan isolasi mereka cukup rendah$

membatasi pen""unaan praktis mereka untuk aplikasi murni dinamis.

ristal dari kelompok C?? /kristal khas Ca A ?a ' ?e F 5 dan lan"asite$ untuk

misaln!a telah dipela)ari secara intensif selama '0 tahun terakhir. Milik simetri

kristal !an" sama seperti kuarsa$ mereka tidak p!roelectric dan memiliki

sensiti,itas !an" lebih tin""i. idak seperti kuarsa atau "allium ortofosfat$ mereka

tidak memiliki transisi fase sampai titik lelehn!a /di atas 1A00 G C$ sehin""a sifat

mereka tetap san"at stabil sampai suhu !an" san"at tin""i dan tidak ada kembaran

ter)adi. amun pertumbuhan kristal besar lebih sulit daripada kuarsa$ meskipun

kristal lan"asite hin""a F inci diameter telah tumbuh.


6/9

?allium ortofosfat memiliki struktur kristal !an" sama seperti kuarsa. Sensiti,itas

adalah dua kali lipat dari kuarsa dan praktis konstan sampai (00 G C. ransisi fase

terletak sekitar &I0 G C /(IA G C untuk kuarsa$ memperluas rentan" suhu !an" ber"una untuk setidakn!a 400 G C. amun san"at sulit untuk tumbuh

/pertumbuhan berlan"sun" beberapa bulan sampai satu tahun dan tidak tersedia

seba"ai kristal besar.

Piezoceramics berbasis dipela)ari dan Head-Metaniobate memiliki sensiti,itas

!an" san"at besar piezoelektrik /hin""a 100 kali dari kuarsa$ tetapi penuaan

/ter"antun" aktu depolarisasi$ linearitas miskin dan efek piroelektrik

besar membatasi pen""unaann!a untuk aplikasi !an" akurasi tidak kritis.

Piezoceramics suhu tin""i /bismuth titanat berbasis bahan dapat di"unakan

sampai (00 atau 400 G C$ tapi menderita masalah !an" sama /meskipun tidak serius seba"ai dipela)ari. Sensiti,itas mereka adalah sekitar ( sampai 10 kali

lebih tin""i dari kuarsa.Mereka di"unakan dalam suhu tin""i aplikasi /misaln!a$

accelerometers beroperasi hin""a 400 G C.

7lektronik

Seperti telah disebutkan dalam pendahuluan$ transduser piezoelektrik adalah

sistem aktif /mereka tidak memerlukan catu da!a !an" memiliki output muatan

/output impedansi tin""i. @ntuk analisis sin!al akuisisi data dan$ bia!a output

harus dikon,ersi ke te"an"an$ misaln!a den"an cara electrometer atau bia!a

pen"uat.

Men"isi pen"uat

Sebuah bia!a pen"uat pada dasarn!a adalah hi"h-"ain te"an"an pembalik pen"uatden"an san"at tin""i isolasi resistansi masukan con fi "urasi seba"ai inte"rator.

Sebuah rantai pen"ukuran khas den"an bia!a pen"uat ditun)ukkan pada ?ambar

14.'.'B contoh laboratorium dan bia!a industri pen"uat ers fi ditun)ukkan pada

?ambar 14.'.A.

te"an"an output !an" palin" umum @ out adalah 10 . isaran kapasitor C

dapat diaktifkan biasan!a antara 10 p6 sampai 100 n6$ memun"kinkan untuk

pen"ukuran atas berba"ai tuduhan !an" luas. Sebuah aktu !an" konstan dapat

diaktifkan den"an resistor K /biasan!a 1 ?L$ 100 ?L. Keset > 5perate /K > 5

sitch memun"kinkan pen"aturan titik nol bia!a pen"uat.


7/9

?ambar 14.'.' Men"ukur rantai den"an bia!a pen"uat. sensor dimodelkan

seba"ai sumber arus /sumber bia!a secara paralel den"an sensor kapasitansi C

dan resistance K. Sifat kabel di)elaskan oleh kapasitansi C c s dan resistansi isolasiK. 2ia!a pen"uat terdiri dari hi"h"ain pen"uat den"an berba"ai kapasitor Ccr$

aktu !an" konstan resistor K dan areset > men"operasikan /K > 5 sitch.

e"an"an output dari bia!a pen"uat ideal /berhin""a loop terbuka "ain +$ tidak

ada kebocoran saat ini$ te"an"an tidak ada offset pada input han!a ber"antun"

pada muatan induksi dan berba"ai kapasitor$ di mana impedansi input tidak

memiliki pen"aruh.

sin!al output @ : -D > C

2atas frekuensi !an" lebih rendah /-Ad2 f : 1 > /' ; K

Jika tidak ada resistor Kt dipilih$ bia!a pen"uat beroperasi dalam mode #C dan perilaku Stead!State diatur oleh drift.

*ubun"an ini mencukupi untuk seba"ian besar aplikasi. #alam beberapa kasus

ekstrim$ properti dari bia!a riil pen"uat harus diperhitun"kan

batas atas frekuensi f : '00 ... (00 k*z

etika beroperasi pada frekuensi di atas 100 k*z$ impedansi input tidak bisa la"i

men)adi une"lected$ seba"ai "ain loop terbuka dari pen"uat ter"antun" pada

frekuensi. Mela!an" karena =H kebocoran arus N10 f+ /M5S-67$ = N100 6+ /J-

67

kebocoran arus men!ebabkan drift di te"an"an output$ !an" akhirn!a membaa

ampli- fi er ke)enuhan. 3aktu ter"antun" bia!a DH : =H H ; t men"hasilkan aktu

te"an"an ter"antun" keluaran @

.

Mela!an" karena te"an"an offset dan masukan rendah resistensi

te"an"an offset pada input pen"uat men"induksi arus =doff : @off > /K.

men"enaikebocoran arus$ saat ini dapat membaa pen"uat men)adi )enuh.


8/9

beberapa bia!a pen"uat memiliki built-in nol pen!esuaian untuk men)a"a drift ke

tin"kat !an" san"at rendah.

*arus resistansi input san"at rendah /misaln!a ketika men"ukur pada suhu

tin""i$ beralih pada aktu !an" konstan resistor K atau menambahkan sebuah

kapasitor couplin" di seri antara sensor dan pen"uat mun"kin memecahkan

masalah drift. #alam kedua kasus$ frekuensi batas baah fl menin"kat.

kapasitansi masukan !an" tin""i

#alam aplikasi !an" kabel !an" san"at pan)an" diperlukan$ kapasitansi kabel

tidak bisa diabaikan$ khususn!a )ika "ain loop terbuka dari pen"uat tidak terlalu

tin""i. =ni men"hasilkan penurunan sin!al output. 2ab 14

sin!al output @ : -D > C

2atas frekuensi !an" lebih rendah /-Ad2 f : 1 > /' ; K

Jika tidak ada resistor Kt dipilih$ bia!a pen"uat beroperasi dalam mode #C dan

perilaku Stead!State diatur oleh drift.

*ubun"an ini mencukupi untuk seba"ian besar aplikasi. #alam beberapa kasus

ekstrim$ prop

erti dari bia!a riil pen"uat harus diperhitun"kan

batas atas frekuensi f : '00 ... (00 k*z

etika beroperasi pada frekuensi di atas 100 k*z$ impedansi input tidak bisa la"i

men)adi

une"lected$ seba"ai "ain loop terbuka dari pen"uat ter"antun" pada frekuensi.

Mela!an" karena =H kebocoran arus N10 f+ /M5S-67$ = N100 6+ /J-67

kebocoran arus men!ebabkan drift di te"an"an output$ !an" akhirn!a membaa

ampli- fi er ke)enuhan. 3aktu ter"antun" bia!a DH : =H H ; t men"hasilkan aktu

te"an"an ter"antun" keluaran @

.

Mela!an" karena te"an"an offset dan masukan rendah resistensi


9/9

te"an"an offset pada input pen"uat men"induksi arus =doff : @off > /K. men"enai

kebocoran arus$ saat ini dapat membaa pen"uat men)adi )enuh. beberapa bia!a

ers fi pen"uat memiliki built-in nol pen!esuaian untuk men)a"a drift ke tin"kat

!an" san"at rendah.

*arus resistansi input san"at rendah /misaln!a ketika men"ukur pada suhu

tin""i$ beralih pada aktu !an" konstan resistor K atau menambahkan sebuah

kapasitor couplin" di seri antara sensor dan pen"uat mun"kin memecahkan

masalah drift. #alam kedua kasus$ frekuensi batas baah fl menin"kat.

kapasitansi masukan !an" tin""i

#alam aplikasi !an" kabel !an" san"at pan)an" diperlukan$ kapasitansi kabel

tidak bisa

diabaikan$ khususn!a )ika "ain loop terbuka dari pen"uat tidak terlalu tin""i. =ni

men"hasilkan penurunan sin!al output.

terjemahan sensor

Documents