Pod pojmem piezoelektrický měnič se obvykle člověku vybaví generátor pípání u hodinek nebo elektronických budíků. Lze ho však najít i v senzorice, například jako detektory a snímače přítomnosti některých látek. V následujícím článku je vysvětlena funkce a provedení těchto senzorů a jako příklad jsou uvedeny detektory TDK řady LTS a TSP.

V článku "Princip, struktura a výpočty piezoelektrického elementu" jsem uvedl základní popis, strukturu a funkci piezoměničů. Piezoelektrický efekt se dnes využívá v mnoha senzorech a zařízeních a stal se již úplně běžným. Přinejmenším si každý jako piezoelektrický měnič vybaví generátor zvuku pro různé digitální hry a hodinky. Důkazem použití v senzorice je i dnešní článek popisující senzory firmy TDK pro zjištění plnosti zásobníku.

TDK piezoeletrické hladinové senzory využívají jako snímač element z piezoelektrické keramiky. Jsou primárně vyvinuty pro detekci přítomnosti prášku na principu tlumení vibrací generované piezoměničem, který je v kontaktu s detekovaným práškem. V nabídce lze najít dvě řady senzorů, LTS a TSP. Zatímco prvně uvedená řada generuje vibrace na principu samooscilační metody, řada TSP využívá externího zdroje signálu, generovaného vnitřním nebo externím uživatelovým zdrojem. Tím lze dosáhnout lepší stability a přesnosti. Následující odstavce pak popisují jak samotné vlastnosti obou řad, tak i zkráceně vysvětlují funkci a problematiku detekce pomocí piezoelektrického elementu.

Vlastnosti hladinových TDK senzorů

• Základem senzoru je piezoelektrický snímací element
• Duté pouzdro senzoru, které obsahuje piezoelement i elektronické obvody
• Provedení pouzdra minimalizuje vliv externích vibrací
• Možná je detekce magnetických i nemagnetických prášků
• Snadné vestavění senzoru do stěny hlídané nádoby
• Dva typy výstupů: digitální výstup (D typ) a analogový výstup (A typ)
• Velmi malé rozměry

Použití

• Detekce práškového toneru v kopírkách, laserových tiskárnách apod.
• Detektory přítomnosti kávy a instantních nápojů v nápojových automatech
• Detekce přítomnosti mouky, cukru v zásobních
• apod.

Princip a struktura hladinového senzoru

Jak již bylo zmíněno výše, celý princip senzoru je založen na tlumení vibrací generovaných piezoelektrickým měničem přítomností detekovaného prášku. Z toto důvodu musí být měnič v přímém dotyku s práškem, tj. zabudován do stěny hlídané nádoby - viz obrázek 1. Hladina senzoru (Sensor level) určuje oblast/výšku, ve které senzor bude detekovat přítomnost prášku.

Základní struktura a princip funkce piezoelektrického vibračního senzoru je stejný jako u piezoelektrického reproduktoru (generátoru zvuku). Snímací element je tedy složen z následujících částí:

• piezoelektrický disk s piezokeramiky (piezoelectric disk)
• kovové elektrody (metal electrodes)
• kovové membrány (metal diaphragm)

 

Piezoelektrická keramika je podrobena polarizaci ve směru kolmém na povrch disku. Jak ukazuje obrázek 3., při přiložení externího napětí dojde k rozpínání nebo smrštění ve směru polarizace i kolmém na směr polarizace. V uvedené struktuře s kovovým kotoučem však nemůže k takovým změnám rozměrů plátku piezokeramiky docházet a tak se rozpínáním a smršťováním transformuje do prohnutí kovového kotoučku. Směr prohnutí závisí na polaritě přiloženého napětí (elektrického pole). Při přiložení střídavého napěťového signálu z oscilátoru tak dochází ke střídavému vychylování na obě strany a tím generování vibrací.

Piezoelektrický vibrační senzor musí být konstruován tak, aby plocha snímacího kovového kotouče byla úplně rovná a umístěná na svrchní straně senzoru. Pro splnění těchto požadavků je spojení mezi snímačem a pouzdrem senzoru provedeno po obvodu kotouče (Diaphragm perimeter support & mounting) namísto na hraně piezoelementu (Unimorph edge support) - viz obrázek 4.

Aby se co nejvíce omezil vliv pouzdra a připevnění snímače do pouzdra na detekční charakteristiku, využívá se například pružného přichycení kotouče k pouzdru pomocí pružného silikonu - viz obrázek 5. Součástí pouzdra senzoru je pak i samotná deska plošných spojů s řídící a vyhodnocovací elektronikou (Board for control circuit & Electronic component) připevněná na opačný konec poudra (Case).

V nabídce firmy TDK lze najít dvě odlišné konstrukce vibračního senzoru:

• dvouvývodová verze snímače - klasický piezoelektrický měnič se dvěma elektrodami napájený střídavým napětím z generátoru/oscilátoru - snímač se prakticky chová jako zátěž připojená na výstupní svorky oscilátoru
  


• třívývodová verze snímače - piezoelektický měnič má tři elektrody - společnou, vstupní a výstupní elektrodu na piezoelektrické keramice. Ke generování kmitů (vibrací) je použito samooscilační metody, která využívá přímo rezonanční frekvence snímače. Zde tedy je piezoměnič součástí generátoru/oscilátoru - viz obrázek 6. Samooscilační metoda je uskutečněna použitím budícího obvodu se zapojením např. dle obrázku 7.

 

Vibrační charakteristiky (viz obrázek 8.) reprezentují tlumení senzoru přítomností prášku. Od nezatlumeného senzoru (bez přítomnosti prášku) - první grafy z hora, až po zatlumený senzor celý ponořený v prášku - úplně spodní grafy.

Detekce třívývodového piezoměniče

Z výše uvedeného principu funkce třívývodového měniče, tj. že měnič je přímo součástí kmity generujícího oscilátoru, je možné vibrace generovat pouze do doby, kdy zisk (gain) napříč strukturou piezoelektického měniče poklesne pod určitou mez. Určitá minimální hodnota přenosu měniče je totiž nutná pro udržení zpětnovazební smyčky oscilátoru a tedy udržení vibrací. Přítomnost nebo absence prášku je tak detekována dle poklesu hodnoty zisku nebo zatlumení vibrací snímače.

Detekce dvouvývodového piezoměniče

Dvouvývodový typ je tvořen "klasickým" piezoelektrickým měničem vybaveným elektrodami na obou stranách piezokeramiky. Senzor je provozován přivedením externího střídavého napěťového signálu na elektrody - viz obrázek 1. V porovnání s třívývodovým provedením, zde vibrace neskončí ani po úplném zasypání senzoru, protože vibrační signál je poskytován "tvrdým" externím zdrojem. Vyhodnocení přítomnosti prášku se provádí ze změn charakteristik snímače - viz obrázek 8.

Piezoměnič lze simulovat náhradním obvodem (N.O.) dle obrázku 9. v podobě paralelního rezonančního obvodu, kde kondenzátor Cd představuje elektrostatickou kapacitu, L0 značí ekvivalentní hmotu, C0 pak inverzní číslo ekvivaletní tuhosti a R0 nakonec ekvivalentní mechanický odpor. Rezonance nastává na minimální impedanci sériové rezonance L0, C0 a R0. Piezoměnič dvouvývodového typu má v blízkosti bodu rezonance, tedy v nezatíženém stavu, induktivní charakter, zatímco v ostatních případech, když zatížení přeroste určitou mez, má kapacitní charakter v celém frekvenčním spektru - viz obrázek 8. Například rezonanční frekvence pro detekci přítomnosti toneru je v okolí 6 kHz a pro zjištění se provádí přelaďováním frekvence v rozsahu 4 až 8 kHz. Pokud signál piezoelektrického elementu vykazuje induktivní charakter není detekován toner - tedy cartridge je prázdný, pokud vykazuje kapacitní charakter je detekován toner - cartridge je dostatečně plný.

Obr. 9. N.O. dvouvývodového piezoměniče

Senzory řady LTS

Hladinové vibrační senzory TDK řady LTS jsou v kompaktním provedení, kde je vše umístěno uvnitř jednoho malého pouzdra.

Volit lze senzory ve dvou verzích:

• LTS s analogovým výstupem (Analog output type) - přímý analogový výstup oscilujícího napěťového signálu
  


• LTS s digitálním výstupem (Digital output type) - na výstupu se objeví hodnota log.1 při poklesu tlumené amplitudy generátoru pod určitou hranici - přítomnost prášku

 

Vlastnosti:

• Provozní vstupní napětí: 5V±0.5V
• Vstupní proud: max. 20 mA
• Provozní teplotní rozsah: 0 to 50°C
• Sensor level: 5mm±3mm
• Diskrétní výstup: log. 1 = min. 4.5 V, log.0 = max. 0.5 V

 

 

Senzory řady TSP

Senzory TSP pracují na principu zjištění induktivního nebo kapacitního chování piezoelementu. Proto jsou vybaveny přeladitelným oscilátorem (sweep oscillation), obvody pro úpravu signálu (Aplifier and Rectifying circuit), fázovým detektorem (phase detector) a výstupním komparátorem (comparator).

Senzory řady TSP existují ve dvou provedeních:

 

• senzor s interní elektronikou ("Internal chip" type) - snímač i veškerá řídící elektronika, včetně generátoru "kmiitacího napětí", je součástí jednoho senzoru - výstup je binární
  


• snímač s externí elektronikou ("External chip" type) - oddělený snímač (piezoměnič) a chip obsahující generátor/oscilátor s vyhodnocovací elektronikou

Vlastnosti obou provedení:

• Provozní vstupní napětí: 5V±0.5V
• Vstupní proud: max. 20 mA
• Provozní teplotní rozsah: 0 to 50°C
• Sensor level: 5mm±3mm
• Diskrétní výstup: log. 1 = min. 4.5 V, log.0 = max. 0.5 V

 

Kompletní senzor se snímačem a elektronikou v jednom pouzdře

 

Provedení s externím chipem s generátorem a vyhodnocovací elektronikou

Závěr

Detekce naplnění nádoby pomocí piezoelektrických senzorů je jednou z často užívaných možností. Senzory mohou být velmi malé a lze je implementovat i pro malé nádoby. Senzory TDK jsou typickým příkladem. Pro bližší informace odkazuji na stránky výrobce.

 

DOWNLOAD & Odkazy

• Zajímavé stránky zabývající se piezostrukturou, piezosnímači a zařízeními - www.piezo.com

• Stránky firmy TDK, výrobce zde uvedených senzorů - www.tdk.co.jp
• Články týkající se senzorů na serveru automatizace.HW.cz