П’єзоелектричні перетворювачі 1

Даний тип перетворювачів відноситься до підгрупи генераторних, робота яких заснована на п'єзоелектричного ефекту - здатності деяких матеріалів накопичувати електричні заряди в результаті механічної навантаження. Величина заряду Q пов'язана з силою Р наступною залежністю

де d - п'єзомодуль матеріалу перетворювача;

Р прикладена зусилля.

Як матеріал використовуються природні кристали - кварц, турмалін і штучні - продукти відпалу пресованої суміші, що складається з дрібно роздробленого сегнетоелектріка з присадкою. Кращі властивості у цітітаното-цирконат-свинцю (ЦТС) і тітоната барію (ТiВа) мають високий п'єзомодуль і забезпечують роботу перетворювачів до температури
250 0 С. При проектуванні перетворювача в основному використовують три схеми навантаження пьезоелемента: розтяг, стиск, вигин, зсув.

Мінімальна частота відтвореного сигналу визначається умовою

де t - постійна часу, t = R C;

R - опір витоків від об'ємної і поверхневої провідності пьезоелемента;

C - ємність перетворювача.

Область застосування п'єзоелектричних перетворювачів досить обширна.

Перетворювачі, в яких використовується прямий п'єзоефект (рисунок 8.1, а), застосовують в приладах для вимірювання сили, тиску, прискорення. У них забезпечується більша жорсткість і, як наслідок, висока власна частота.

Малюнок 8.1 - Схеми навантаження п'єзоперетворювачів

Перетворювачі, де використовується зворотний п'єзоефект, застосовуються в якості випромінювачів ультразвукових коливань, перетворювачів напруги в деформацію, наприклад, в п'єзоелектричних реле, виконавчих елементах автоматичних систем, які переміщують дзеркала оптичних приладів), зворотних перетворювачів приладів врівноваження і т. Д.

Перетворювачі, в яких використовуються одночасно прямий і зворотний пьезоеффекти, - пьезорезонатори, що мають максимальний коефіцієнт перетворення одного виду енергії в інший на резонансній частоті і різко зменшується коефіцієнт перетворення при відступі від резонансної частоти, застосовують в якості фільтрів, які пропускають дуже вузьку смугу частот.

Пьезорезонатори, включені в ланцюг позитивного зворотного зв'язку підсилювача, працюють в режимі автоколивань і використовуються в генераторах. Залежно від типу кристала, зрізу і типу порушуваних коливань пьезорезонатори можуть виконуватися з високостабільної, що не залежить від зовнішніх чинників власної частотою і з керованою власною частотою. Керовані резонатори використовуються в частотно-цифрових приладах як перетворювачі різних, переважно неелектричних (температура, тиск, прискорення і т. Д.), Величин в частоту.

У п'єзоелектричних перетворювачах використовуються кварц і різні типи п'єзокераміка. Пьезокераміки мають значно вищі за значенням, ніж кварц, п'єзомодуль, але гірші пружні властивості. Модуль пружності пьезокерамических матеріалів Е = (0,65 ... 1,3) 10 -11 Па. Добротність, яка визначається тільки механічними втратами, лежить в діапазоні Q = 100 ... 300. Тангенс кута втрат (при напруженості Е <25 кВ/м) для большинства пьезокерамических материалов составляет tg (б) = 0,02…0,05. Все материалы обладают пьезоэлектрическими свойствами лишь в определенном температурном диапазоне, граница которого определяется точкой Кюри. Для кварца точка Кюри соответствует температуре 530 °С, для пьезокерамик эти температуры ниже.

Пристрій і вимірювальні ланцюга. На малюнок 8.2, асхематіческі зображено пристрій п'єзоелектричного перетворювача для вимірювання тиску. Вимірюється тиск Р діє на мембрану 1, що представляє собою дно корпусу перетворювача. Зовнішні обкладання кварцових пластин заземляются, а середня обкладка (латунна фольга 3) ізолюється щодо корпусу самим кварцом, які мають дуже високий питомий опір. Кварцові пластини Х-зрізу 2 з'єднані паралельно. Сигнал з кварцових пластин знімається екранованим кабелем 5. Для зручності з'єднання виведення від фольги з внутрішньої жили кабеля в корпусі перетворювача передбачено отвір, що закривається пробкою 4.

Малюнок 8.2 - Пристрій п'єзоелектричного перетворювача

Вихідна потужність п'єзоелектричних перетворювачів дуже мала, тому на виході перетворювача повинен бути включений підсилювач з максимальною вхідним опором.

Еквівалентна схема перетворювача, поєднаного кабелем з вимірювальної ланцюгом, представлена ​​на малюнку 8.3, б, на якому Со - ємність між гранями пьезоелектрика (ємність перетворювача); Ск - ємність кабелю між житловою і екраном і Свх - вхідна ємність вимірювального ланцюга; Ro-опір перетворювача; Rк - опір ізоляції кабелю; RBX - вхідний опір вимірювального ланцюга.

Малюнок 8.3 - Еквівалентна схема перетворювача

Еквівалентну схему можна спростити згідно малюнка 8.3, б, де опір R дорівнює опору паралельного з'єднання Ro. Rк і RBX і ємність С = З + Ск + Свх.

При синусоїдальної силі

Амплітуда напруги і зрушення фаз між напругою і вимірюваної силою залежать від частоти:

З наведених виразів випливає, що напруга на вході підсилювача не буде залежати від частоти тільки при високих частотах # 969;> 1 / (RC) і дорівнюватиме

З цього виразу видно, що вихідна напруга перетворювача залежить від ємності вхідного ланцюга. Тому якщо в характеристиках перетворювача вказується його чутливість по напрузі, то обов'язково повинна бути вказана і ємність, відповідна цієї чутливості. У ряді випадків вказується чутливість по заряду Sq = q / F і власна ємність перетворювача З або напруга холостого ходу Uхх = d11 · F / C0 і також власна ємність перетворювача. У всіх випадках, знаючи сумарну ємність С, можна розрахувати вихідну напругу перетворювача.

Для розширення частотного діапазону вимірюваних величин в сторону низьких частот слід збільшити постійну часу ланцюга # 964; = RC. Розширення частотного діапазону шляхом збільшення ємності С легко здійснюється включенням паралельно перетворювача конденсаторів, проте, це призводить до зменшення вихідної напруги перетворювача. Збільшення опору R призводить до розширення частотного діапазону без втрати чутливості, однак підвищити опір можна тільки шляхом поліпшення якості ізоляції і застосування підсилювачів з високоомним входом.

Власне опір пьезоелемента Ro визначається питомим опором матеріалу пластин і їх поверхневим опором. Перша складова, особливо для кварцу (10 15 ... 10 16 Ом), як правило, значно більше другий, тому визначальним є поверхневий опір, для підвищення якого до R = 10 9 ... 10 10 Ом перетворювач доводиться герметизувати, захищаючи його поверхні від вологості і забруднення.

До недавнього часу вимірювальні ланцюга п'єзодатчиків виконувалися у вигляді підсилювачів напруги з високоомним входом. Приклад такої вимірювального ланцюга показаний на малюнку 8.4. У цьому ланцюзі використовується неінвертуючий підсилювач на основі операційного підсилювача з вхідним каскадом на польовому транзисторі. Напруга, що надходить на вхід підсилювача, так само

вихідна напруга підсилювача

Малюнок 8.4 - Вимірювальна ланцюг у вигляді підсилювача з високоомним входом

Основним недоліком схеми з підсилювачем напруги є залежність вихідної напруги і чутливості датчика отемкості кабелю Ск (70 ... 150 пФ на кожен метр довжини кабелю), яка може істотно змінюватися в залежності від положення кабелю і таких зовнішніх факторів, як температура і вологість. Ємність пьезокварцевого датчика З вельми стабільна, проте не перевищує 5 ... 150 пФ. Ємність пьезокерамических пластин може досягати 10 3 пФ, однак значення ємності в цьому випадку менш стабільно, ніж для кварцових пластин, і може змінюватися під дією температури. Для того щоб зменшити нестабільність чутливості паралельно входу підсилювача включається додаткова стабільна ємність С1, значення якої визначається допустимою похибкою чутливості
# 947; S = (# 8710; С0 + # 8710; СК) / (СО + Ск + С1). Таким чином, вхідна напруга підсилювача і чутливість перетворювача S = Uвх / F при заданої нестабільності місткості визначаються допустимою похибкою.

Так, наприклад, для п'єзоелектричного датчика, що складається з двох паралельно включених пластин, при допустимій погрішності чутливості yS = ± 1% і нестабільності ємності кабелю # 8710; Ск = ± 20 пФ максимальна чутливість становить

Вихідна напруга підсилювача збільшується за рахунок збільшення його коефіцієнта посилення k = (1 + R2 / R1), однак, лише до певних меж, так як з ростом коефіцієнта посилення підсилювача і зменшенням глибини зворотного зв'язку зростають похибки підсилювача.

Важливою характеристикою вимірювального ланцюга є постійна часу # 964; = RC. Для вимірювального ланцюга з підсилювачем напруги опір R визначається паралельно з'єднаними опорами ізоляції датчика, кабелю, вхідним опором підсилювача і опором R3. Найбільш високий вхідний опір (до 10 +13 ... 10 15 Ом) забезпечують МДП-транзистори, однак вони мають значно вищий рівень шумів, ніж польові транзистори з p-n-переходом. Тому з високочутливими датчиками частіше застосовуються останні, наприклад транзистор КП303Г, вхідний опір якого складає не менше 10 11 Ом.

Опір R3 стабілізує рівень вихідної напруги підсилювача, який визначається вхідним струмом підсилювача. Вважаючи, що вхідний струм Iвх не перевищує 10 -11 А, і допускаючи рівень постійної напруги на виході підсилювача до 1 В, можна визначити значення R3 ≈ 10 11 Ом.

Аналіз окремих складових опору R показує, що визначальним опором є, як правило, опір поверхневої витоку датчика і значення R зазвичай не перевищує 10 9 Ом. Таким чином, навіть при ємності С = 1000 пФ постійна часу # 964; ≤ 1 с.

В даний час поряд з підсилювачами напруги з п'єзоелектричними датчиками застосовуються також перетворювачі заряду в напругу, звані підсилювачами заряду.

Конструкції п'єзоелектричних перетворювачів. Перевагами п'єзоелектричних перетворювачів є малі габарити, простота конструкції, надійність в роботі, можливість вимірювання швидкозмінних величин, дуже висока точність перетворення механічної напруги в електричний заряд. Для кварцу, який за своїми пружним властивостям близький до ідеального тіла, перетворення механічної напруги в електричний заряд здійснюється з похибкою 10 -4 ... 10 -6. В останні роки в зв'язку з розвитком високоточної електроніки з'явилася можливість реалізувати цю точність в широкому частотному діапазоні і в вимірювальних ланцюгах, що перетворюють заряд. Таким чином, п'єзоелектричні перетворювачі в перспективі є найбільш точними перетворювачами для датчиків тиску, прискорень, сил.

На малюнку 8.5, апредставлена ​​конструкція п'єзоелектричного датчика прискорень. Всі елементи датчика кріпляться до основи, виконаному з титану. Перетворювач 2 складається з двох паралельно включених п'єзоелементів з кварцу Х-зрізу. Інерційна маса 3 для зменшення габаритів датчика виготовлена ​​з легкообрабативаемого сплаву ВНМЗ-2 з високою щільністю 18 Мг / м 3 (18 г / см 3). Сигнал з кварцових пластин знімається за допомогою виведення з латунної фольги 4, з'єднаного з кабелем 6. Кабель кріпиться до основи за допомогою пайки. Датчик закривається кришкою 5, що нагвинчується на підставу. На підставі 1 нарізана різьба для кріплення датчика на об'єкті. Маса датчика 35 г, робочий діапазон 1 ... 150 м / с 2.

При конструюванні датчика акселерометра одним з основних питань є кріплення пьезочувствітельних пластин до основи і інерційної маси. Зчленування пластин з підставою і інерційної масою в датчику, (рисунок 8.5, а), здійснюється за допомогою пайки. До кабелю, що з'єднує датчик акселерометра з підсилювачем, висуваються такі вимоги: великий опір ізоляції, мала ємність між житловою і екраном, гнучкість і антивібраційні. Останнє означає, що при вібрації кабель не повинен наводити на вхід підсилювача ЕРС, що виникає в результаті тертя ізоляції про екран при трясці кабелю. Кращим є кабель типу АВК-3, ємність цього кабелю становить 70 ... 80 пФ / м.

При довгих лініях зв'язку між датчиком і підсилювачем для зменшення перешкоди необхідно симетрування вимірювального ланцюга. У датчику (рисунок 8.5, а), опору зв'язку між висновками і корпусом різко несиметричні, так як висновок 4от внутрішніх пластин ізольований від корпусу, а зовнішні пластини і висновок від них, яким є екран кабелю, безпосередньо з'єднані з корпусом. Для забезпечення симетрії опорів зв'язку датчик виконується з непарного числа пластин, з'єднаних так, як показано на малюнку 8.5, б.Сквозь центральні отвори пластини через ізолятори притискається гвинтом до корпусу. Висновки пластин підключаються до підсилювача з симетричним входом.

Малюнок 8.5 - Конструктивні схеми п'єзоелектричних перетворювачів для вимірювання параметрів вібрацій

Для підвищення чутливості датчика використовують п'єзоелементи, мають п'єзомодуль значно вище в порівнянні з кварцом. П'єзоелемент виконується у вигляді ряду паралельно з'єднаних за допомогою металевих прокладок іпластін. У цьому випадку чутливість перетворювача визначається за формулою

де п - число паралельно з'єднаних пластин;

Со - ємність однієї пластини.

Високу чутливість мають також перетворювачі з пьезо-елементами, що працюють на вигин (рисунок 8.1, б). Але вони значно поступаються за механічними властивостями перетворювачів, що працюють на стиск і мають порівняно низьку власну частоту.

П'єзоелемент, званий біморфного, складений з двох пластин. При дії сили п'єзоелемент прогинається, верхня пластина відчуває розтягнення, нижня - стиснення і на пластини наводяться заряди. Пластини, в залежності від напрямку позитивних осей в них можуть з'єднуватися як паралельно, так і послідовно.

Крім цього, в якості однієї з пластин може бути використаний не п'єзоелемент, а металева накладка такої товщини, щоб п'єзопластини лежала вище нейтрального шару.

Для підвищення чутливості використовують також п'езоелементи, що працюють на зрушення (рисунок 8.1, в). Вони мають низьку бічній чутливістю.

Для вимірювання повільно змінюються сигналів при звичайній схемі включення повинна бути виконана умова t = ¥, що неможливо, тому надходять у такий спосіб: пьезопреобразователь включають в схему автогенератора на резонансній частоті пьезокристалла. При навантаженні пьезопреобразователя буде змінюватися його резонансна частота. За зміною частоти судять про величину навантаження (зусилля).

Випускаються в даний час п'єзоакселерометрів перекривають діапазон прискорень 2 × 10 5 ... 10 6 м / с 2. Найбільш високочастотні акселерометри мають власну частоту до 200 кГц при чутливості 0,004 пКл / (м / с -2). Найбільш високочутливі п'єзоакселерометрів мають чутливість до 1000 пКл / (м / с -2), але їх власні частоти становить 1 кГц.

Переваги п'єзоелектричних перетворювачів: широкий частотний діапазон, велика вібраційна міцність, мала чутливість до магнітних полів, простота конструкції, можливість створення перетворювачів малих розмірів і мас.

Недоліки: велика вихідний опір, що визначає жорсткі вимоги до вимірювальних схем і кабелям.