Пьезоэлектрические преобразователи силы, давления и ускорения

Принципиальная конструкция и измерительные цепи. На рис, 3-5 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.

Рис. 3-5

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. (3-6, а), на котором С₀ — емкость между гранями пьезоэлектрика (емкость преобразо­вателя); С_вх — емкость кабеля и входная емкость измерительной цепи; R₀ — сопротивление преобразователя с учетом сопротивления изоляции линии относительно земли; R_вх — входное сопротивление измерительной цепи.

Рис. 3-6

Эквивалентную схему можно упростить согласно рис. (3-6, б), где сопротивление R=R₀R_вх/(R₀+R _вх) и емкость С =С₀+С_вх.

Выходное напряжение преобразователя с подключенной к нему измерительной цепью составляет . При синусоидальной силе f=F_msinωt мгновенное значение тока i = dQ/dt= d(d_nF_msinωt)/dt. Таким образом, I=jωd₁₁F и

Как видно из выражения (3-1), амплитуда напряжения и сдвиг фаз между напряжением и измеряемой силой зависят от частоты:

и

Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики преобразователя, включенного в измерительную цепь, представлены на рис. (3-7, а).

Из выражений (3-2) и (3-3) следует, что напряжение на входе усилителя не будет зависеть от частоты только при высоких частотах ω>1/R(С_вх+С₀) и будет равно

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 Q/F и собственная емкость преобразователя С₀ или напряжение холостого хода U_вых=d₁₁F/C₀ и также собственная емкость преобразователя.

Для расширения частотного диапазона измеряемых величин в сторону низких частот, очевидно, следует увеличивать, постоянную времени цепи τ=R(С_вх+/C₀). Для того чтобы получить представ­ление о тех значениях сопротивлений и емкостей, кото­рых практически приходится добиваться, на рис. (3-7, б)приведены кривые чувстви­тельности пьезоэлектрическо­го акселерометра в функции частоты для различных соче­таний R и С=С₀+С_вх.

Расширение частотного диапазона путем увеличения емкости С_вх (кривая 2 на рис. 3-7) легко осуществляет­ся включением параллельно преобразователю конденсато­ров, однако, как видно из формулы (3-4), это приводит к уменьшению выходного на­пряжения преобразователя. Увеличение сопротивле­ния R приводит к расширению частотного диапазона без потери чувствительности, однако трудно повысить входное сопротивление усилителя R _вх больше ^: чем до 10⁸—10⁹ Ом.

Собственное сопротивление пьезоэлемента R₀ определяется удель­ным сопротивлением материала пластин и их поверхностным сопро­тивлением. Первая составляющая, в особенности для кварца (10¹⁸—10¹⁶ Ом), как правило, значительно выше второй, поэтому определяющим является поверхностное сопротивление, для повы­шения которого до R_пов =10⁹—10¹⁰ Ом преобразователь прихо­дится герметизировать.

Для увеличения чувствительности пьезоэлектрического преобразователя его пьезоэлемент выполняется в виде ряда параллельно соединенных при помощи металлических прокладок 2 пластин 1 (рис. 3-8). В этом случае чувствительность преобразователя определяется формулой S=d₁₁n/(C_BX + пС₀), где n — число параллельно соединенных пластин; С₀ — емкость одной пластины.

Рис. 3-7

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.

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

Рис. 3-8

В диапазоне низких частот частотная погрешность вычис­ляется, как следует из выражения (3-2), по формуле

Верхняя граница допустимого частотного диапазона определяется в основном механическими параметрами преобразователя. Пьезоэлектрические преобразователи могут быть выполнены с час­тотой собственных колебаний f ₀≈100 кГц, что позволяет измерять механические величины, изменяющиеся с частотой до 7 — 10 кГц.

Конструкции пьезоэлектрических преобразователей. Достоин­ствами пьезоэлектрических преобразователей являются малые габа­риты, простота конструкции, надежность в работе, возможность измерения быстропеременных величин. Наиболее широкое распро­странение пьезоэлектрические преобразователи получили для изме­рения вибрационных ускорений.

На рис. 3-9 представлена конструкция пьезоэлектрического датчика акселерометра, разработанного И. М. Козловым и Э. М. Шма­ковым в Ленинградском политехническом институте им. М. И. Кали­нина. Все элементы датчика крепятся к основанию 1 выполненному из титана. Преобразователь 2 состоит из двух включенных парал­лельно пьезоэлементов из кварца Х-среза. Инерционная масса 3 для уменьшения габаритов датчика изготовлена из легкообрабатыва­емого сплава ВНМЗ-2 с высокой плотностью 18 Мг/м³ (18 г/см³). Сигнал с кварцевых пластин снимается при помощи вывода из латун­ной фольги 4, соединенного с кабелем 6. Кабель крепится к осно­ванию при помощи пайки. Датчик закрывается крышкой 5, навинчиваемой на основание. На основании 1 нарезана резьба для креп­ления датчика на объекте. Масса датчика 35 г, рабочий диапазон 1—150 м/с².

При конструировании датчика акселерометра одним из основ­ных вопросов является крепление пьезочувствительных пластин к основанию и инерционной массе. Сочленение пластин с осно­ванием и инерционной массой в датчике, представленном на рис. 3-9, осуществляется посредством пайки, что позволяет прибору работать до 200° С. К кабелю, соединяющему датчик акселерометра с усили­телем, предъявляются следующие требования: большое сопротив­ление изоляции, малая емкость между жилой и экраном, гибкость и антивибрационность. Последнее означает, что при вибрации кабель не должен наводить на вход усилителя э. д. с. возникающую в результате трения изоляции при тряске об экран. Лучшим является кабель типа АВК-3, имеющий ем­кость 70—80 пФ/м.

Рис. 3-9

 

Рис. 3-10

 

Повышенную чувствительность имеют преобразователи с пьезоэлементами, работающими на изгиб, однако они имеют значительно более низкую собственную частоту и поэтому применяются только в низкочастотных датчиках. На рис. 3-10 схематически представ­лена конструкция такого датчика низкочастотного акселерометра. Здесь пьезоэлемент 1, называемый биморфным, составлен из двух пластин. К нему приклеен груз 2. При действии силы F пьезоэле­мент прогибается, верхняя пластина испытывает растяжение, ниж­няя — сжатие, и на пластинах наводятся заряды так, как это пока­зано на рис. 3-10.

Конструкция датчика типа Д19 с изгибным пьезоэлементом, выпускаемого таганрогским заводом «Виброприбор», показана на рис. 3-11. Пьезоэлемент 1 из пьезокерамики ЦТС-19 наклеен на упругий элемент 2, представляющий собой круглую плоскую пру­жину с инерционной массой в виде кольца, прорезанного пазами (рис. 3-11, б). Упругий элемент закреплен в центре и при действии ускорения испытывает изгибную деформацию. Размеры пьезоэлемента и упругого элемента выбраны таким образом, чтобы пьезо­элемент испытывал при этом деформацию только одного знака. Заряде пьезоэлемента снимается при помощи гибкого проводника 3, который подпаивается к верхней обкладке пьезоэлемента и кон­такту 4, изолированному от корпуса фторопластовой прокладкой 5 и закрытому предохранительным колпачком 6. Датчик герметизи­руется резиновой прокладкой 7, зажимаемой гайкой 8. Масса дат­чика т = 100 г, чувствительность и частотный диапазон при вход­ном сопротивлении усилителя 2 МОм равны S = 20 мВ/(м/с²) и f = 20 — 500 Гц, собственная емкость датчика 3400 пФ.

Пьезоэлектрические преобразователи с использованием обрат­ного пьезозффекта. Вследствие обратного пьезоэффекта пьезоэлементы деформируются под действием электрического поля. Отно­сительные деформации сжатия и растяжения очень малы и близки по величине к температурным деформациям, поэтому в преобразователях напряжения в перемещение используются обычно изгибные пьезоэлементы. Схематическая конструкция такого преобра­зователя показана на рис. (3-3, в). При действии напряжения U одна из пластин сокращается по длине, другая расширяется и в ре­зультате биморфная пластина изгибается; под действием темпера­туры обе пластины деформируются одинаково и изгиба не происхо­дит. Прогиб конца биморфного элемента из кера­мики ЦТС с размерами 40 X 40 X 1 мм при напряжении 400 В составляет 0,323 мм, такой прогиб соответствует действию на сво­бодном конце балки нагрузки около 0,5 Н.

 

Рис, 3-11

 

 

Заключение

В ходе данной выполненной работы мы рассмотрели основные свойства ультразвука, такие как природа и получение ультразвуковых колебаний,

типы и скорость ультразвуковых волн, распространение ультразвука, методы ультразвуковой дефектоскопии и их применение. Также были рассмотрены основные типыпреобразователей, их классификация, основные серийные преобразователи, cпециальные преобразователи и контактные среды, электромагнитные ультразвуковые преобразователи и технология изготовления преобразователей. Были изучены физические основы и область применения пьезоэлектрических преобразователей.

 

 

Контрольные вопросы