Применение пьезоэффекта в измерительной технике

 

Область применения пьезоэлектрических преобразователей весьма обширна.

Преобразователи, использующие прямой пьезоэффект (рис. 2.8, а), применяются в приборах для измерения силы, давления, ускорения.

Преобразователи, выполненные из материалов, обладающих пироэффектом, могут быть использованы для измерений тепловой радиации (рис. 2.8 б).

Преобразователи, использующие обратный пьезоэффект, применяются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний, в качестве преобразователей напряжения в деформацию, например, в пьезоэлектрических реле, пьезовибраторах осциллографов (рис. 2.8 в), в качестве обратных преобразователей приборов урав­новешивания и т. д.

Преобразователи, использующие одновременно прямой и обрат­ный пьезоэффекты, — пьезорезонаторы, имеющие максимальный коэффициент преобразования одного вида энергии в другой на резо­нансной частоте и резко уменьшающийся коэффициент преобразо­вания при отступлении от резонансной частоты (т. е. высокую доб­ротность), — используются в качестве фильтров, пропускаю­щих очень узкую полосу частот (рис. 2.8 г).

Пьезорезонаторы, включенные в цепь положительной обратной связи усилителя, работают в режиме автоколебаний и используются в генераторах. В зависимости от типа кристалла, среза и типа воз­буждаемых колебаний пьезорезонаторы могут выполняться с высокостабильной, не зависящей от внешних факторов собственной час­тотой и с управляемой собственной частотой. Управля­емые резонаторы используются в частотно-цифровых приборах как преобразователи различных, преимущественно неэлектричес­ких величин (температура, давление, ускорение и т. д.) в частоту. Пьезоэлектрические генераторы могут применяться и как ампли­тудные преобразователи, работая в режиме изменения добротности, например, для фиксации соприкосновения колеблющегося кристалла с каким-либо телом.

Пьезоэлементы, кроме того, используются в твердых схемах, заменяющих собой целый ряд электрон­ных устройств.

Рисунок 2.8

Области применения пьезоэффекта в измерительной технике:

· для создания источников и приемников акустических сигналов;

· прямой пьезоэффект применяют для измерения динамических усилий, давлений, механических колебаний, микроперемещений;

· обратный пьезоэффект используют для создания излучателей ультразвуковых колебаний и волн, пьезодвигателей, микроперемещений;

· одновременно прямой и обратный пьезоэффекты – для создания пьезорезонаторов, пьезотрансформаторов и измерительных преобразователей на их основе.

При соответствующем расположении граней кристалла относительно его кристаллографических осей можно создавать пьезоэлектрические преобразователи с особыми свойствами, например, термочувствительные или тензочувствительные.

На рис, 2.9 схематически изображено устройство пьезоэлектрического преоб­разователя. Измеряемое давление Р действует на мембрану 1, представляющую собой дно корпу­са преобразователя. Кварцевые пластины 2 соединены парал­лельно. Наружные обкладки кварцевых пластин заземляют­ся, а средняя обкладка (латунная фольга 3) изолируется относительно корпуса самим кварцем, имеющим очень высокое удельное сопротивление.

Рисунок 2.9

Сигнал с кварцевых пластин снимается экранированным кабелем 5. Для удобства соединения вывода от фольги с внутренней жилой кабеля в корпусе преобразователя предусмотрено отверстие, за­крываемое пробкой 4.

Выходная мощность пьезоэлектрических преобразователей очень мала, поэтому на выход преобразователя должен быть включен усилитель с возможно большим входным сопротивлением.

Эквивалентная схема преобразователя, соединенного кабелем с измерительной цепью, представлена на рис. (2.10, а), на котором Со — емкость между гранями пьезоэлектрика (емкость преобразо­вателя); Свх — емкость кабеля и входная емкость измерительной цепи; Rо — сопротивление преобразователя с учетом сопротивления изоляции линии относительно земли; Rвх — входное сопротивление измерительной цепи.

Рисунок 2.10

Эквивалентную схему можно упростить согласно рис. (2.10 б), где сопротивление R=RоRвх/(Rо+Rвх) и емкость С=Со+Свх.

Выходное напряжение преобразователя с подключенной к нему измерительной цепью составляет

.                          (2.11)

При синусоидальной силе f=Fmsinωt мгновенное значение тока i=dQ/dt= d(dnFmsinωt)/dt. Таким образом, I=jωd11F и

            (2.12)

Как видно из выражения (2.12), амплитуда напряжения и сдвиг фаз между напряжением и измеряемой силой зависят от частоты:

        (2.13)

   (2.14)

Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики преобразователя, включенного в измерительную цепь, представлены на рис. 2.10а.

Из выражений (2.13) и (2.14) следует, что напряжение на входе усилителя не будет зависеть от частоты только при высоких частотах ω>1/R(Свх+Со) и будет равно

             (2.15)

Как видно из последнего выражения, выходное напряжение преобразователя зависит от емкости входной цепи. Поэтому, если в характеристиках преобразователя указывается его чувствитель­ность по напряжению, то обязательно должна быть указана и емкость соответствующая этой чувствительности. В ряде случаев указывается чувствительность по количеству электричества и собственная емкость преобразователя или напряжение холостого хода и также собственная емкость преобразователя.

Для расширения частотного диапазона измеряемых величин в сторону низких частот, очевидно, следует увеличивать, постоянную времени цепи.

Для того чтобы получить представ­ление о тех значениях сопротивлений и емкостей, кото­рых практически приходится добиваться, на рис. (2.11 б) приведены кривые чувстви­тельности пьезоэлектрическо­го акселерометра в функции частоты для различных соче­таний R и С.

Расширение частотного диапазона путем увеличения входной емкости (кривая 2 на рис. 2.11б) легко осуществляет­ся включением параллельно преобразователю конденсато­ров, однако, как видно из формул (2.13, 2.14), это приводит к уменьшению выходного на­пряжения преобразователя. Увеличение сопротивле­ния R приводит к расширению частотного диапазона без потери чувствительности.

Собственное сопротивление пьезоэлемента определяется удель­ным сопротивлением материала пластин и их поверхностным сопро­тивлением. Первая составляющая, в особенности для кварца, как правило, значительно выше второй, поэтому определяющим является поверхностное сопротивление, для повы­шения которого преобразователь прихо­дится герметизировать.

Для увеличения чувствительности пьезоэлектрического преобразователя его пьезоэлемент выполняется в виде ряда параллельно соединенных при помощи металлических прокладок  пластин.

Рисунок 2.11

Ограничение частотного диапазона пьезоэлектричес­ких преобразователей в области низких частот затрудняет градуи­ровку датчиков статическими силами, это приводит к усложнению градуировочной аппаратуры и весьма существенным погрешностям градуировки. Поэтому большой интерес представляют измеритель­ные цепи, позволяющие измерять заряд без изменения его в течение хотя бы сотен секунд. Для этих целей применяются специальные усилители с емкостной обратной связью, которые фактически являются усилителями заряда.

2.3.4 Погрешности пьезоэлектрических преобразо­вателей

Погрешности пьезоэлектрических преобразо­вателей складываются из погреш­ностей от изменения параметров измерительной цепи (емкости С_вх), температурной погрешности, вызываемой изменением пьезоэлектрической постоянной, погрешности вследствие неправильной установки пластин, погрешности из-за чувст­вительности к силам, действующим перпендику­лярно измерительной оси преобразователя, и частотной погреш­ности.

В диапазоне низких частот частотная погрешность вычис­ляется, по формуле

 (2.16)

Верхняя граница допустимого частотного диапазона определяется в основном механическими параметрами преобразователя. Пьезоэлектрические преобразователи могут быть выполнены с час­тотой собственных колебаний f₀≈100 кГц, что позволяет измерять механические величины, изменяющиеся с частотой до 7 — 10 кГц.

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться: