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.
сила
пьезопо-лимер
пьезоэлектрический порошок
изолятор
внешний кожух
разъем
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
большие грузовики
дорожное покрытие
маленький пикап
эпоксидная смола
пенопласт
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
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