Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрические преобразователи относятся к подгруппе генераторных и основаны на пьезоэлектрическом эффекте - способности некоторых материалов образовывать при механическом нагружении электрические заряды. Величина возникающего заряда Q связана с приложенной силой Р следующей формулой:

где d - пьезомодуль, для разных материалов значение пьезомодуля составляет (2,3... 320) × 10^-12 Кл/Н.

Рис.4.6 Пьезоэлектрические преобразователи

Естественными кристаллами, обладающими пьезоэлектрическими свойствами, являются кварц и турмалин. Из названных материалов для пьезоэлектрических преобразователей используется кварц, так как турмалин является более редким и дорогим, кроме того, температурная зависимость пьезомодуля турмалина значительнее, чем кварца.

Для получения пьезочувствительного элемента из монокристалла кварца вырезают диск или пластину таким образом, чтобы наибольшая плоскость вырезаемого элемента была перпендикулярна пьезоэлектрической (кристаллографической) оси кристалла. На рис. 4.6,а показано сечение кристалла в плоскости, перпендикулярной оптической оси Z. Величина заряда при данном значении модуля зависит только от величины приложенной силы и не зависит от геометрических размеров вырезанного элемента.

Для изготовления пьезоэлементов наиболее широко применяют так называемые сегнетоэлектрические пьезокерамики, представляющие собой продукты отжига спрессованной смеси, состоящей из мелко раздробленного сегнетоэлектрического кристалла с присадками. Наилучшими свойствами обладают керамики на основе цирконато-титанатов свинца (керамики типа ЦТС), имеющие высокий пьезомодуль и обеспечивающие работу преобразователей при температурах до 250 °С.

В последнее время на базе полевых транзисторов и микромодульных схем выполняют согласующие усилители с весьма большим входным сопротивлением и очень малого объема, это позволяет совмещать в одном корпусе преобразователи с согласующим усилителем (так называемые пьезотропы). При использовании пьезотропов отпадает необходимость применения специальных измерительных кабелей и ограничение в длине соединительных линии. Хотя динамический диапазон и пределы рабочих температур пьезотронов ограничены возможностями согласующих усилителей, но обычно достаточны для большинства задач диагностирования машин в эксплуатационных условиях. В связи с созданием пьезотропов наряду с пьезокерамикой вновь начинают применять пьезоэлементы из кварца, которые при низком значении пьезомодуля обладают в 12... 20 раз более высокой, чем пьезокерамики, температурной стабильностью.

В основном пользуются тремя схемами нагружения пьезоэлементов: работающими на растяжение-сжатие, изгиб и сдвиг. При работе пьезоэлемента на растяжение-сжатие обеспечивается большая жесткость преобразователя и, как следствие, высокая собственная частота. Пьезоэлементы работающие на изгиб, имеют более высокую чувствительность, чем пьезоэлементы, в которых использовано растяжение-сжатие. Однако они существенно уступают последним по механической прочности и имеют сравнительно низкую собственную частоту. Пьезопреобразователи работающие на изгиб, часто выполняют в виде биморфного элемента, состоящего из двух склеенных пластин, между которыми находится металлическая фольга (рис 4.6,б). При изгибе такого элемента одна из пластин удлиняется, а другая укорачивается; при соответствующей поляризации можно получить на выводах такого элемента сумму напряжений или сумму зарядов.

Одна из разновидностей пьезоэлементов, работающих на сдвиг (рис. 4.6,в), - полый цилиндр из пьезокерамики, имеющий клеевое соединение с внутренним и внешним электродами. Под действием измеряемой силы Р происходит деформация сдвига плоскостей, параллельных направлению поляризации. Эта конструктивная схема отличается очень низкой боковой чувствительностью.

Определение усилий, действующих на пьезопреобразователь, осуществляют, по результатам измерения величины напряжения или заряда на пьезоэлементе. При этом минимальное значение частоты воспроизводимого сигнала определяется условием:

,

где R - сопротивление утечек от объемной и поверхностной проводимостей пьезоэлемента, кабеля и входа промежуточного преобразователя; С - суммарная емкость пьезоэлемента, соединительного кабеля и входа промежуточного преобразователя.

Для измерения статических и медленно меняющихся величин при обычной схеме включения должно быть выполнено условие, τ = ∞ что практически неосуществимо. Чтобы воспроизвести статические и медленноменяющиеся механические величины, пьезоэлемент используют в качестве резонатора, включенного в цепь автогенератора. О значении измеряемой величины судят по частоте механического резонанса пьезоэлемента.

Специальные типы пьезопреобразователей, рассчитанных для воспроизведения сигналов от статических и медленноменяющихся усилий, содержат два пьезоэлемента с двумя системами электродов. К входной системе подключают генератор электрических колебаний, а на выходной системе осуществляют измерение сигнала. О значении действующего усилия судят по амплитуде сигнала (пьезоэлектрические трансформаторы) или по сдвигу фазы входного и выходного напряжений.

Пьезоэлектрические преобразователи характеризуются широким частотным диапазоном, большой вибрационной прочностью, малой чувствительностью к магнитным полям, простотой конструкции, возможностью создания преобразователей малых размеров и масс. Высокие значения модуля упругости и предела упругости позволяют создавать малодеформируемые преобразователи без промежуточных упругих элементов.

К числу недостатков пьезопреобразователей относится (как и у емкостных преобразователей) большое внутреннее сопротивление. Это определяет жесткие требования к измерительным схемам и кабелям (при отсутствии встроенных согласующих усилителей). Применение пьезопреобразователей в обычном исполнении не обеспечивает измерения статических составляющих ди­намических процессов, что необходимо при диагностировании, когда статическая составляющая процесса характеризует общий режим работы объектов диагностирования.

В системах технической диагностики пьезопреобразователи нашли применение в качестве акселерометров, виброметров, а также преобразователей давлений и сил. Пьезопреобразователи используют также в измерительных микрофонах для измерения уровней шума генерируемого объекта диагностики. Кроме того, их широко используют в качестве встроенных преобразователей давления и вибраций в БМиП.

Дата добавления: 2014-01-15