Исследование работы генераторного датчика

 

Цель работы

 

Исследовать принцип действия пьезоэлектрического датчики, научиться рассчитывать параметры и строить статическую характеристику пьезоэлектрического датчика.

 

Краткие теоретические сведения

 

Пьезоэлектрические датчики применяются для измерения сил, давления, вибраций и других силовых воздействий.

Конструкция пьезоэлектрического датчика представлена в соответствии с рисунком 5.

 

 

1 – пластины из пьезоматериала; 2 – электроды

Рисунок 5 – Конструкция пьезоэлектрического датчика

 

Пьезоэлектрический преобразователь давления представляет собой пластину из пьезоматериала 1, на две её грани нанесены электроды 2, с которых снимается заряд или напряжение. Для увеличения сигнала, поступающего с преобразователя, часто пластины-шайбы из пьезокерамики компонуют в столбик. В качестве пьезоэлектрических пластин используют обычно естественные материалы – кварц и турмалин, а так же искусственные – поляризованная керамика на основе титаната бария (BaTiO₃), титаната свинца (PbTiO₃) и цирконата свинца (PbZrO₃).

Работа пьезоэлектрического датчика основана на пьезоэффекте, сущность которого заключается в том, что на гранях некоторых кристаллов при их сжатии или растяжении (давления Р) появляются электрические заряды.

К достоинствам пьезоэлектрических датчиков можно отнести:

- простота конструкции;

- малые габариты и стоимость;

- высокая надёжность;

- измерение быстропеременных величин;

- отсутствие источника питания.

К недостаткам пьезоэлектрических датчиков можно отнести:

- низкая чувствительность;

- не измеряет статические величины;

- высокое выходное сопротивление измерительной цепи;

- относительно малая выходная мощность, т.е необходимость промежуточных усилителей.

 

Задание

 

Снять значение выходного напряжения при действии механической нагрузки на пьезоэлектрический датчик.

Определить силу, действующую на пьезоэлектрический датчик; чувствительность (коэффициент передачи) датчика; построить статическую характеристику датчика U_вых=f(F).

Проанализировать проделанную работу.

Экспериментальная схема представлена в соответствии с рисунком 6.

 

 

Рисунок 6 - Экспериментальная схема

 

Источник питания отсутствует, т.к. пьезоэлектрический датчик BQ является генераторным и сам вырабатывает электрический заряд. Выходной напряжение U_вых снимают с электродов датчика с помощью вольтметра PV.

Исходные данные для расчёта, выбираются в соответствии с последней цифрой в порядковом номере по списку, в таблице 2.

 

Таблица 2 - Исходные данные для расчёта по вариантам

Вариант	Чувствительный элемент датчика	Напряжение, снимаемое с выхода датчика, Uвых, В
Материал	Относительная диэлектрическая проницаемость, ε	Размер граней, D, a x b, мм	Толщина, d, мм	Пьезомодуль, kп ∙ 10^-12, Кл/Н
	Кварц	4,5			2,31	0,6
	Сульфат лития	10,3			18,3	2,4
	Дегидрофосфад аммония	21,8				3,8
	Сегнетова соль					6,4
	Титанат бария					3,2
	Кварц	4,5	20х20		2,31	0,8
	Сульфат лития	10,3	15х20		18,3	3,5
	Дегидрофосфад аммония	21,8	15х15			1,2
	Сегнетова соль		10х15			4,3
\0	Титанат бария		10х10			0,7

 

Порядок выполнения расчёта

 

Собрать экспериментальную схему, представленную в соответствии с рисунком 6.

В ненапряжённом состоянии в пластине пьезоматериала все заряды скомпенсированы, она является электрически нейтральной, и вольтметр PV покажет ноль. При сжатии (растяжении) пластины пьезоматериала с силой F на её противоположных гранях образуются разнополярные электрические заряды, и вольтметр покажет некоторое значение выходного напряжения.

Результаты измерений записать в таблицу технических и экспериментальных данных.

По значению этого напряжения можно определить силу сжатия (растяжения), параметры и характеристики датчика.

Выходное напряжение пьезоэлектрического датчика (на электродах, без нагрузки) U_вых, В, определяется по формуле

 

(7)

 

где Q – величина заряда на гранях пластины пьезоэлектрического материала и электродах, Кл;

С_п – ёмкость пластины пьезоэлектрического материала, Ф.

Величина заряда на гранях пластины Q, Кл, определяется по формуле

 

(8)

 

где k_п – коэффициент пропорциональности пьезоэлектрического материала - пьезомодуль, Кл/Н;

F – сила, действующая на пластину, Н.

Подставив формулу (8) в формулу (7) и выразив силу F, Н, действующую на пластину, получим

 

 

Ёмкость пластины С_п, Ф, определяется по формуле

 

(9)

 

где ε_а – абсолютная диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрического материала, Ф/м;

ε – относительная диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрического материала;

ε₀ – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума,

8,85∙10^-12, Ф/м;

S – площадь граней пластины, м²;

d – толщина пластины, м.

Площадь пластины с гранью в виде круга S, м², определяется по формуле

 

(10)

 

где – математическая константа, 3,14;

R, D – радиус и диаметр круга, м.

Площадь платины с гранью в виде прямоугольника S, м², определяется по формуле

 

(11)

 

где a, b – стороны прямоугольника, м.

Статическая чувствительность (коэффициент передачи) датчика s, В/Н, определяется по формуле

 

(12)

 

Пример выполнения расчёта

 

Исходные данные для расчёта:

- материал чувствительного элемента датчика кварц;

- относительная диэлектрическая проницаемость материал чувствительного элемента датчика ε = 4,5;

- размер граней чувствительного элемента датчика D = 10 мм;

- толщина чувствительного элемента датчика d = 1 мм;

- пьезомодуль k_п = 2,31∙10^-12 Кл/Н

- напряжение выхода U_вых = 2В.

Экспериментальная схема представлена в соответствии с рисунком 6.

Площадь пластины с гранью в виде круга

 

 

Ёмкость пластины

 

 

Сила, действующая на пластину

 

 

Статическая чувствительность (коэффициент передачи) датчика

 

 

Зависимость выходного напряжения от силы, приложенной к датчику, линейная, поэтому для построения статической характеристики достаточно двух точек: при F=0 Н, U_вых=0 В и F=2,71 Н, U_вых=2 В.

Статическая характеристика пьезоэлектрического датчика U_вых=f(F) представлена в соответствии с рисунком 7.

 

 

Рисунок 7 - Статическая характеристика

пьезоэлектрического датчика U_вых=f(F)

 

 

В ходе практической работы были изучены конструкция и принцип действия пьезоэлектрического датчика, его применение, достоинства и недостатки. Рассчитаны основные характеристики пьезоэлектрического датчика: чувствительность 0,74 В/Н; измеряемая сила 2,71 Н. По полученным входным и выходным данным построена статическая характеристика потенциометрического датчика U_вых=f(F), которая имеет линейный вид.

 

Контрольные вопросы

 

1) Что измеряют пьезоэлектрические датчики?

2) Конструкция и принцип действия пьезоэлектрических датчиков.

3) Какими достоинствами и недостатками обладают пьезоэлектрические датчики?

4) Какой вид имеет статическая характеристика пьезоэлектрических датчиков?

5) Как графически найти коэффициент передачи?

Практическая работа №3