2. Устройство пьезодатчиков

Пьезоэлектрические датчики применяются для измерения давления, силы, ускорения. На рис. 2 показано устройство пьезоэлектрического датчика давления с двумя кварцевыми пластинами. Измеряемое давление действует на мембрану 1, представляющую собой дно корпуса датчика. Кварцевые пластины 2 зажаты между металлическими прокладками 3. Средняя прокладка 3 соединена с выводом 4, проходящим через экранированную втулку 5 из изоляционного материала. Крышка 6 соединяется с корпусом и через шарик 7 передает давление пластинам, благодаря чему измеряемое давление распределяется по поверхности кварцевых пластин более равномерно. Кварцевые пластины обычно расположены таким образом, что в измерительную схему подается отрицательный потенциал. Положительный потенциал подается на корпус датчика. Для уменьшения утечки зарядов необходима очень качественная изоляция. С этой же целью поверхность кварцевых пластин тщательно полируют. Использование двух (а иногда и больше) пластин повышает выходную ЭДС, поскольку выходные сигналы пластин складываются.

Рис. 2. Пьезоэлектрический датчик давления

На рис. 3 показан пьезоэлектрический датчик ускорения, используемый в виброизмерительной аппаратуре. Пьезоэлемент 1 из титаната бария расположен в корпусе прибора 2 между инерционной массой 3 и подпятником 4. Для увеличения силы, действующей на пьезоэлемент при ускорениях, инерционная масса имеет относительно большие размеры и изготовлена из вольфрама. Пакет из инерционной массы 3, пьезоэлемента 1 и подпятника 4 прижат к основанию корпуса гайкой 5 через сферическую пяту б, изоляционную прокладку, пружинную шайбу и контактную пластину. Вывод сигнала выполнен с помощью специального антивибрационного кабеля. Датчик измеряет ускорения от 0,2 до 200 g. Коэффициент преобразования порядка 8 мВ на 1 g. Минимальная частота виброускорений 5 Гц.

Рис. 3. Пьезоэлектрический датчик ускорения

3. Чувствительность пьезодатчика и требования к измерительной цепи

Пьезоэлектрический датчик подобен электрическому конденсатору. Количество электричества q, появившееся под воздействием механической силы, заряжает грани пьезоэлемента и соединенные с ним проводники до напряжения U, определяемого как U= q/C, где С — емкость между проводниками (включая емкость пьезоэлемента). Чувствительность датчика определяется как приращение выходного напряжения, соответствующее изменению силы F. При параллельном соединении п пластин их емкость складывается. Чувствительность пьезодатчика в этом случае

(3)

где п — количество пластин; К₀ — пьезоэлектрический модуль материала пластины; С_вх — емкость измерительной цепи; С₀ — емкость одной пластины.

Емкость одной пластины датчика толщиной d и площадью s можно определить, как емкость плоскопараллельного конденсатора:

где — абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума;Ф/м. Емкость пьезоэлемента С на практике бывает невелика и выражается в пикофарадах (1 пФ = 10^-12 Ф). Выходной сигнал пьезодатчика , гдеF — измеряемая сила.

Заряженный до напряжения U конденсатор будет разряжаться через сопротивление датчика R₀ и сопротивление измерительной цепи R_BX. Для уменьшения скорости разряда необходимо стремиться к увеличению постоянной времени цепи разряда . При практически реализуемых значениях сопротивления датчика R₀ (десятки и сотни МОм) и его емкости С₀ (десятки пФ) надо обеспечить очень большое входное сопротивление измерительной цепи. Для этого используются специальные электронные лампы, называемые электрометрическими. Электрометрические схемы могут обеспечить входное сопротивление измерительной цепи до 10¹³ Ом. Для увеличения постоянной времени разряда параллельно датчику иногда включают конденсатор. Применение измерительных цепей с очень большим входным сопротивлением позволяет снизить нижнюю границу частоты входных сигналов до нескольких герц.

При измерении высокочастотных (быстроизменяющихся) ударных нагрузок и ускорений пьезоэлектрические датчики имеют преимущество перед датчиками других типов.

ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ