Geometrías de detección para acelerómetros piezoeléctricos
Existen tres métodos predominantes para inducir tensión en un cristal piezoeléctrico con el fin de generar una salida eléctrica.
- Compresión
- Cizallamiento
- Flexión
Para un acelerómetro, cada técnica ofrece ciertos atributos de rendimiento, que pueden hacer que un diseño sea más apropiado para ciertas aplicaciones que otros.
El efecto piezoeléctrico es una propiedad inherente del cuarzo y una propiedad inducida de ciertos cristales cerámicos manufacturados. Los acelerómetros piezoeléctricos se construyen con estos cristales como elemento sensor. Cuando el cristal se somete a tensión debido a la fuerza aplicada, los iones negativos y positivos se acumulan en las superficies opuestas del cristal en una cantidad que es directamente proporcional a la fuerza aplicada. En el caso de un acelerómetro, se acopla una masa sísmica al cristal. Cuando está bajo la influencia de la aceleración, la masa causará una fuerza que actuará sobre el cristal, generando así una salida eléctrica proporcional. Esta relación causa-efecto está definida por la ley del movimiento de Newton F=ma.
El diseño de compresión (o modo de compresión) ofrece la ventaja de tener pocas piezas y una gran rigidez, lo que da lugar a una gama de frecuencias alta. Este diseño tiende a ser más susceptible a la deformación de la base y a los efectos térmicos transitorios, ya que el cristal está en contacto íntimo con la base de la carcasa. Cualquier deformación o influencia de expansión/contracción en la base se transmite fácilmente al cristal, que puede responder con una salida que no se debe a la aceleración y, por lo tanto, es un error. Como resultado, los diseños de compresión no se recomiendan para su uso en paneles metálicos, que pueden doblarse, o en entornos térmicamente inestables.
El diseño Shear (o modo cizalla) ofrece el mejor rendimiento global para un acelerómetro.
Predominan los diseños de cizalla plana (que utilizan placas de cristal) y los diseños de cizalla anular (que utilizan un cristal en forma de anillo).
En ambos casos, el cristal se sujeta entre un poste central y una masa exterior. Cuanta más masa se fije, más fuerza de cizallamiento se aplicará al cristal para una aceleración determinada. La estructura del acelerómetro es rígida, lo que proporciona un rango de frecuencias elevado y, puesto que el cristal no está en contacto íntimo con la base, se minimizan los efectos de la deformación y los transitorios térmicos.
Los diseños de flexión ofrecen la posibilidad de generar señales de salida excepcionalmente altas, ya que el cristal está sometido a altos niveles de tensión.
Estos diseños utilizan placas de cristal con forma rectangular o de disco. La flexión del cristal puede ocurrir como resultado de la propia masa del cristal en oposición a la aceleración, o para mejorar la flexión, se puede sujetar o adherir peso adicional al cristal. Los acelerómetros de modo de flexión son menos rígidos en comparación con los diseños de compresión o cizallamiento, lo que les proporciona un rango de frecuencia limitado. Además, como el cristal está sometido a altos niveles de tensión, se dañan más fácilmente que otros tipos si se exponen a golpes o vibraciones excesivos.