Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Пьезорезонансные преобразователи
В пьезоэлектрическом резонаторе происходит преобразование электрического напряжения между электродами в деформацию и механические напряжения в пьезоэлементе, которые вызывают ответную реакцию по выходу в виде зарядов на электродах, возникающих под действием механических напряжений. Обратимость пьезоэлектрического эффекта позволяет выполнять пьезорезонатор в виде двухполюсника, объединяющего системы электрического возбуждения механических колебаний и съема электрического сигнала. Резонансные колебания в пьезоэлементе возникают в результате установления в нем стоячих ультразвуковых волн. Длина волны l = u lf, где u – скорость распространения ультразвука; f – частота излучения.
Скорость распространения ультразвука в материале определяется формулой: u= , где Еij – константа упругости; r – плотность материала. Следовательно, длина волны . Если длина волны l такова, что на отрезке h между гранями, от которых отражаются волны, укладывается целое число полуволн, то в пьезоэлементе устанавливаются стоячие волны. Таким образом, стоячим волнам соответствует частота возбуждающего напряжения , где n – число уложившихся полуволн. Частота колебаний, при которых на длине h укладывается одна полуволна, является основной частотой и равна . При частотах, которые значительно меньше f К, ток в цепи возбуждающих электродов (рис. 2-19, а) мал и определяется в основном межэлектродной емкостью С 0 и сопротивлением изоляции между электродами R 0. По мере приближения частоты возбуждающего напряжения к частоте fR амплитуда механических колебаний растет. Пропорционально амплитуде колебаний увеличивается заряд на электродах, и в цепи возрастает составляющая переменного тока, вызываемая деформациями пьезоэлемента.
Рис. 2-19
На рис. 2-19, б представлена эквивалентная схема пьезорезонатора. В этой схеме введены эквивалентные параметры: индуктивность L K = mIk2 эм, емкость С К = nk2 эм и сопротивление R К, образующие динамический контур эквивалентной схемы. Схема рис. 2-19, б соответствует свободно колеблющемуся, т.е. механически не нагруженному, пьезорезонатору (режим короткого замыкания, при котором усилия на поверхностях пьезоэлемента от внешних сил равны нулю). Схема рис. 2-19, в учитывает влияние внешних нагрузок в виде включенного сопротивления Z a, которое может иметь как чисто активный (например, если существуют потери на акустическое излучение во внешнюю среду), так и реактивный (например, при присоединении к пьезоэлементу дополнительной массы) характер. В заторможенном состоянии, когда скорости смещений поверхностей пьезоэлемента равны нулю, сопротивление Z a равно бесконечности (режим холостого хода). В режиме, близком к холостому ходу, работают пьезоэлектрические датчики давлений и ускорений, в которых используется прямой пьезоэффект. Поэтому в эквивалентной схеме этих датчиков динамическая ветвь обычноне учитывается.
Проводимость эквивалентной схемы (рис. 2-19, б) определяется как . Для идеального пьезорезонатора (R 0 = ¥, R К = 0) проводимость бесконечно возрастает при условии 1 – w 2L K C K = 0, т.е. при частоте w R = , называемой частотой последовательного резонанса. Эта частота определяется исключительно параметрами введенного динамического контура и поэтому совпадает с определенной ранее как – частотой механического резонанса. Проводимость идеального пьезорезонатора бесконечно падает при условии j w C 0 + , при частоте , называемой частотой параллельного резонанса (а иногда частотой антирезонанса). Относительная разность между частотами последовательного и параллельного резонансов составляет (w Р – w К)/wК = С К/(2 С 0). Для пьезорезонаторов из кварца емкостное отношение не превышает С К /С 0 = 10-2 – 10-3 и частота w Р может быть выше частоты w К не более чем на 0,5%. Соответственно и изменение частоты параллельного резонанса путем подключения параллельно резонатору добавочной емкости С'0 и увеличения таким образом емкости С0 возможно не более чем на 0,1 – 0,01%. В реальном пьезорезонаторе при частотах wК и wР проводимости контура не равны бесконечности и нулю, они имеют некоторое конечное значение, включающее в себя, кроме активной, и небольшую реактивную составляющую. Поэтому для характеристики пьезорезонатора вводятся еще две частоты, при которых проводимость чисто активная. Одна из этих частот w r называется частотой резонанса и оказывается чуть больше частоты wK, вторая (w a) называется частотой антирезонанса и оказывается чуть ниже частоты w P. Векторная диаграмма проводимости контура с указанием характерных точек показана на рис. 2-19, г.
Важной характеристикой контура является его добротность Q = wK L K /R K, определяемая потерями энергии при колебаниях. В состав потерь входят: потери собственно в кварце, потери в материалах электродов, потери на акустическое излучение в окружающую среду, потери на границе колеблющегося элемента и неподвижных элементов крепления, потери во входном элементе присоединяемой электрической схемы. Теоретическая добротность кварцевых резонаторов, если учитывать только потери в кварце, может достигать значения, определяемого из соотношения Qfr = 1,2·1013, реальные добротности зависят от конструкции резонаторов[1]. Основой пьезорезонансного частотного датчика является пьезорезонатор, частота которого изменяется под действием измеряемой величины. Изменение частоты может происходить: а) при воздействии температуры, которая влияет на геометрические размеры, плотность и, главным образом, на упругие свойства кварца; б) под действием механических напряжений в резонаторе или его деформации, также вызывающих изменение h, rи n; в) при присоединении дополнительной массы к резонатору, изменяющей его толщину h и среднюю плотность r. Соответственно различают термочувствительные, тензочувствительные и массочувствительные пьезорезонаторы. Кроме этого, используются пьезорезонансные датчики с амплитудным выходом. В этих датчиках, работающих на частоте, близкой к резонансной, при изменении акустических потерь меняется амплитуда колебаний. При построении пьезорезонансного датчика очевидны требования, предъявляемые к пьезорезонатору: высокая добротность, высокая чувствительность к измеряемой величине, малая чувствительность к дестабилизирующим факторам и возможность возбуждения колебаний только на одной частоте, т.е. моночастотность. Эти требования обеспечиваются, в первую очередь, выбором типа среза пьезоэлемента и типа возбуждаемых в пьезоэлементе колебаний. Действительно, если рассмотрим пластину Y -среза, то при приложении поля в направлении оси Y в ней возникают деформации e5 и e6, деформирующие пьезоэлемент в плоскости хz (деформация сдвига вдоль грани) и в плоскости ху (деформация сдвига по толщине). Однако геометрические размеры, определяющие резонансную частоту, в этих случаях различны. Собственная частота колебаний сдвига вдоль грани значительно ниже частоты колебаний сдвига по толщине, и благодаря этому условие моночастотности соблюдается удовлетворительно. В управляемых пьезорезонаторах чаще всего используются именно колебания сдвига по толщине (хотя возможны и другие типы колебаний), так как при этом типе колебаний колебательная энергия концентрируется в подэлектродной области пьезоэлемента. Безэлектродные периферийные области оказываются практически свободными от упругих колебаний, что позволяет осуществлять крепление пьезоэлемента без заметного ухудшения добротностей. Ослабление амплитуды колебаний при r ′h′ / ( r h) =0,02 (r' и h' – плотность и толщина электрода, r и h –плотность и толщина пьезоэлемента) в точке, удаленной от края электрода на 15 h, составляет не менее 40 дБ. При применении линзового резонатора эффект локализации энергии может быть ещё больше.
|
||||||
Последнее изменение этой страницы: 2017-02-22; просмотров: 328; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.145.23.123 (0.006 с.) |