R0 U Rк С Rвх L_

И 1 Л1 Л

Преобразователь

С 0

Рисунок 7.26— Эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя

При синусоидальной силе f = F_msin(ωt) мгновенная величина тока равна

i = dq/dt, где F_m и ω - амплитуда и частота механического воздействия, q - заряд, поскольку пьезо­электрические преобразователи являются генераторами заряда. Выходное напряжение преобразователя с подключенной к нему измерительной цепью составляет

U _mвых = (К _пз ∙Fm/C)(ω∙RC/√1+ ω² ∙ R²∙C²), θ = π/2 +arctg (ω∙RЧC), (7.28)

где К _пз - пьезомодуль, R равно сопротивлению параллельного соединения R ₀, R_к и R _вх, емкость

С = С _о + С_к + С_вх.

Из этого выражения видно, что 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 заряду S_q = q/F и собственная емкость преобразователя С ₀;

• напряжение холостого хода U _х._х = К_пз ЧF/C₀ и также собственная емкость преобразователя.

Во всех случаях, зная суммарную емкость С, можно рассчитать выходное напряжение преобразователя.

Для расширения частотного диапазона измеряемых величин в сторону низких частот, очевидно, следует увеличить постоянную времени цепи η = RC. Однако расширение частотного диапазона путем увеличения емкости С приводит к уменьшению выходного напряжения преобразователя. Увеличение сопротивления R приводит к расширению частотного диапазона без потери чувствительности, но повысить сопротивление можно только путем улучшения качества изоляции констукции датчика и применения усилителей с высокоомным входом.

Собственное сопротивление пьезоэлемента R₀ определяется удельным сопротивлением материала пластин и их поверхностным сопротивлением. Первая составляющая, в особенности для кварца (10¹⁵÷ 10¹⁸ Ом), как правило, значительно больше второй, поэтому определяющим является поверхностное сопротивление, для повышения которого до R_п = 10⁹ ÷ 10¹⁰ Ом преобразователь приходится герметизировать, защищая его поверхности от влажности и загрязнения.

Достоинствами пьезоэлектрических преобразователей являются малые габариты, простота конструкции, надежность в работе, возможность измерения быстропеременных величин,

очень высокая точность преобразования механических напряжений в электрический заряд. Для кварца, который по своим упругим свойствам близок к идеальному телу, преобразование механического напряжения в электрический заряд осуществляется с погрешностью 10^-4 – 10^-6. В последние годы в св-язи с развитием высокоточной электроники появилась возможность реализовать эту точность в широком частотном диапазоне и в измерительных цепях, преобразующих заряд. Таким образом, пьезоэлектрические преобразователи в перспективе являются наиболее точными преобразователями для датчиков давлений, ускорений, сил.

На рис. 7.27, а представлена конструкция пьезоэлектрического датчика ускорений. 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.

Дата добавления: 2014-12-08