Respuesta de los sensores en función de la temperatura
5.3. Medida de la respuesta en temperatura de los sensores de voltaje
Como muestra de la dependencia con la temperatura de los transductores piezoeléctricos, la figura 5.2 representa las curvas de histéresis del tubo 5H-10c, cuando le aplicamos una tensión de 10 Vef a 65 ºC (ofreciendo una eficiencia de 80.27 rad/V), y a -35 ºC (temperatura para la que el valor de la eficiencia se reduce a 46.5 rad/V).
-15 -10 -5 0 5 10 15 -1200 -800 -400 0 400 800 1200 b a D esf ase (r ad ) V (V)
Éste sería el caso límite de cambio de la eficiencia en función de la temperatura que vamos a encontrar, puesto que el material PZT-5H es el que presenta mayor variación de
d31 en el intervalo de temperaturas que nos interesa.
Estas medidas, y el conjunto de la caracterización de la respuesta de los sensores para diferentes temperaturas se han llevado a cabo en una cámara de temperatura, modelo MK240, de la marca WTB Binder, que cubre el rango de temperaturas desde -40 a 180 ºC,
puede ser programada y lleva incorporado un sistema para eliminar la humedad de las muestras cuando las temperaturas de trabajo son bajas. Las dimensiones de su interior son 0.8×0.6×0.5 m3, suficientemente grandes para contener cualquiera de los montajes preparados. Unos ventiladores cumplen con la labor de homogeneizar la temperatura en todo el volumen de la cámara. La temperatura del interior de la cámara, medida por el propio sensor del equipo, ha sido siempre monitorizada simultáneamente con un sensor de temperatura de semiconductor. Un pequeño orificio en la parte superior de la cámara permite el paso de las conexiones eléctricas que alimentan los sensores, y de las fibras ópticas de entrada y de salida.
En todas la medidas realizadas, la parte del montaje introducida en la cámara térmica ha sido la totalidad del interferómetro Mach-Zehnder en el cual estaban incorporados los transductores a caracterizar, con los dos acopladores incluidos. La fuente de luz, el sistema de detección, y todos los demás aparatos de medida se han mantenido siempre fuera de la cámara. En la figura 5.3 se observan dos vistas del exterior e interior de la cámara cuando se estaba realizando la medida en función de la temperatura de alguno de los sensores.
Figura 5.3. Cámara térmica y dispositivos de medida.
En una primera fase del estudio de los efectos térmicos, hemos medido la respuesta de transductores construidos con los cuatro materiales piezoeléctricos utilizados, mediante
la calibración de diferentes sensores cada cinco grados, en el intervalo de [-35, +70] ºC. La caracterización realizada ha seguido el procedimiento de medida del número de franjas en función de la amplitud del voltaje aplicado, siendo la pendiente de dicha medida, P, el
parámetro que estudiamos en función de la temperatura.
-35 -20 -5 10 25 40 55 70 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
PZT 5H
P/ Pm T (ºC) -35 -20 -5 10 25 40 55 70 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10PZT 5A
P/ Pm T (ºC) -35 -20 -5 10 25 40 55 70 0.95 1.00 1.05 1.10PZT 4D
P/ Pm T (ºC) -35 -20 -5 10 25 40 55 70 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2PZT 8
P/ Pm T (ºC)Figura 5.4. Comparación de la dependencia con la temperatura de la respuesta de los transductores construidos con los materiales PZT-5H (tubo 5H-10c), PZT-5A, (tubos CT5A), PZT-4D (tubos CT4D) y PZT-8 (tubo 8-9c), con la deducida a partir de la dependencia nominal del coeficiente d31
con la temperatura (línea continua).
Las curvas representadas en la figura 5.4 muestran las pendientes de las rectas de calibración de tubos de los cuatro materiales, normalizadas con el valor medio de cada una (P/Pm). Junto a ellas, se encuentran, en trazo continuo, las curvas de la variación relativa del coeficiente d31, d31(T)/d31(Tm), según los datos de la figura 5.1, siendo Tm la temperatura que corresponde a la pendiente que tomamos como referencia Pm. La representación de los valores experimentales normalizados con su valor medio permite comparar las desviaciones respecto al comportamiento teórico, independientemente de que la eficiencia de cada transductor alcance o no el valor teórico (que no suele lograrse en las bobinas multicapa).
Nuestras medidas confirman aspectos de la información proporcionada por el fabricante de los tubos, pero entre ellas también existen algunas divergencias. Nuestros datos ratifican el comportamiento monótono y creciente del coeficiente piezoeléctrico del
material PZT-5A, pero no concuerdan totalmente con las especificaciones del PZT-5H. En particular, para temperaturas por encima de 50 ºC se observa un comportamiento aproximadamente constante del transductor construido con material PZT-5H, mientras que según los datos del coeficiente d31 debería obtenerse un crecimiento continuo de la pendiente. El transductor construido con material PZT-8 sigue una tendencia diferente a la que se correspondería con la dependencia nominal del coeficiente d31, proporcionada por el fabricante. Respecto a los tubos piezoeléctricos PZT-4D, si bien su variación térmica se confirma menos llamativa que la de otros materiales, su comportamiento no es perfectamente monótono, sino que para valores alrededor de temperatura ambiente presenta un mínimo, se incrementa muy suavemente, y vuelve a reducirse para temperaturas aún mayores.
Los datos anteriores corresponden a los obtenidos después de al menos un ciclo térmico de estabilización del material, en los que la respuesta térmica debe ser definitiva1. Aunque, como hemos avanzado, no hemos observado diferencias significativas entre el comportamiento medido en los primeros ciclos y en los siguientes, sí hemos podido constatar en algunos de los sensores un ligero descenso de la eficiencia en ciclos consecutivos. Como ejemplo, las dos calibraciones distintas de los tubos 4D del Sensor autocompensado CT que aparecen en el próximo apartado (figuras 5.7 y 5.10), realizadas
-35 -20 -5 10 25 40 55 70 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 PZT 4D PZT 5A PZT 8 PZT 5H P/ Pm T (ºC)
Figura 5.5. Respuesta comparativa de los diferentes materiales piezoeléctricos con la temperatura.
durante diferentes ciclos térmicos, y transcurridos unos meses entre ellas, difieren en algo más de un 1%. Por el contrario, la respuesta de otros sensores no ha mostrado ninguna variación en los diferentes ciclos térmicos. Hasta el momento no hemos llevado a cabo un estudio sistemático para discernir si los consecutivos ciclos térmicos o el posible envejecimiento de los dispositivos pueden efectivamente causar una disminución de la eficiencia de los sensores con el tiempo.
Además de comparar la respuesta en función de la temperatura con la que se derivaría de d31(T), resulta ilustrativo comparar los valores experimentales obtenidos para tubos de materiales diversos. En la figura 5.5 representamos los valores de las pendientes relativas experimentales que aparecen en la figura anterior. Los materiales PZT-4D y PZT- 5A son los que presentan una variación menor en el intervalo medido, mientras que efectivamente, como se esperaba, el PZT-5H es el de mayor variación relativa.