Geometrias de deteção para acelerómetros piezoeléctricos
Existem três métodos predominantes para induzir tensão num cristal piezoelétrico de modo a gerar uma saída eléctrica.
- Compressão
- Cisalhamento
- Flexão
Para um acelerómetro, cada técnica oferece determinados atributos de desempenho, o que pode tornar uma conceção mais apropriada para determinadas aplicações do que outras.
O Efeito Piezoelétrico é uma propriedade inerente ao quartzo e uma propriedade induzida de certos cristais cerâmicos fabricados. Os acelerómetros piezoeléctricos são construídos com estes cristais como elemento sensor. À medida que o cristal sofre tensão devido à força aplicada, iões negativos e positivos acumulam-se nas superfícies opostas do cristal numa quantidade que é diretamente proporcional à força aplicada. Para um acelerómetro, uma massa sísmica é acoplada ao cristal. Quando sob a influência da aceleração, a massa fará com que uma força actue sobre o cristal, gerando assim uma saída eléctrica proporcional. Esta relação de causa e efeito é definida pela Lei do Movimento de Newton F=ma.
A conceção de compressão (ou modo de compressão) oferece a vantagem de ter poucas peças e uma elevada rigidez, o que conduz a uma gama de frequências elevada. Esta conceção tende a ser mais suscetível à deformação da base e aos efeitos de transientes térmicos, uma vez que o cristal está em contacto íntimo com a base da caixa. Quaisquer influências de deformação ou expansão/contração na base são facilmente transmitidas ao cristal, que pode então responder com uma saída que não se deve à aceleração e é, portanto, um erro. Como resultado, as concepções de compressão não são recomendadas para utilização em painéis metálicos, que podem dobrar-se, ou em ambientes termicamente instáveis.
A conceção de cisalhamento (ou modo de cisalhamento) oferece o melhor desempenho global para um acelerómetro.
As concepções de cisalhamento planar (utilizando placas de cristal) e anular (utilizando um cristal em forma de anel) são predominantes.
Em cada estilo, o cristal é fixado entre um poste central e uma massa externa. Quanto maior for a massa acoplada, maior será a força de cisalhamento aplicada ao cristal para uma determinada aceleração. A estrutura do acelerómetro é rígida, proporcionando uma gama de frequências elevada e, uma vez que o cristal não está em contacto íntimo com a base, os efeitos de deformação e de transientes térmicos são minimizados.
As concepções flexíveis oferecem a capacidade de gerar sinais de saída excecionalmente elevados, uma vez que o cristal está sujeito a elevados níveis de tensão.
Estas concepções utilizam placas de cristal rectangulares ou em forma de disco. A flexão do cristal pode ocorrer como resultado da própria massa do cristal em oposição à aceleração, ou para aumentar a flexão, um peso adicional pode ser fixado ou colado ao cristal. Os acelerómetros de modo flexural são menos rígidos quando comparados com os de compressão ou de corte, o que lhes confere uma gama de frequências limitada. Além disso, como o cristal está sujeito a elevados níveis de tensão, danificam-se mais facilmente do que outros tipos se forem expostos a choques ou vibrações excessivas.