9. Генераторные преобразователи

Пьезоэлектрические преобразователи выполняются из мате- риалов, в которых может возникать пьезоэлектрический эффект. Пьезоэффект может быть прямым и обратным.

Прямой пьезоэффект заключается в возникновении электри- ческих зарядов на граняхпьезоэлектрика при воздействии на него

механической силы, вызывающей напряжение в материале. При устранении силы заряды исчезают.

Обратный пьезоэффект проявляется в том, что пьезоэлек- трик, помещенный в электрическое поле, изменяет свои геомет- рические размеры. Чаще всего в качестве пьезоэлектрика приме- няется кварц, на примере которого и рассмотрим принцип дей- ствия пьезоэлектрического преобразователя.

В кристаллах кварца принято различать три главные оси: эле- рическую Х, механическую У и оптическую Z (рис. 4.59).

Z

^FZ a

b

c

_X X

Y ^X^FX		^FY ^FX
Y

^Y Z

X ^FY

Рис. 4.59. Кристалл кварца

Параллелепипед, вырезанный из кристалла кварца так, чтобы его грани были параллельны главным осям, обладает следующи- ми свойствами:

• продольный пьезоэффект при воздействии силы F_x, направ- ленной вдоль электрической оси Х, на гранях bс, перпендикуляр- ных этой оси, появляютсяэлектрические заряды;

• поперечный эффект при воздействии силы F_Y, направлен- ной вдоль механической оси Y, заряды появляются также на гранях bс;

• отсутствие зарядов при приложении механической силы вдоль оптической оси Z.

Величина зарядов, возникающих на гранях кристалла bс под действием силы F_X, не зависит от геометрических размеров кри- сталла и равна:

q = d₁F_X, (4.17)

где d₁ – постоянный коэффициент, называемый пьезоэлектриче- ской постоянной.

Величина зарядов, возникающих под действием силы F_Y, за- висит от геометрических размеров кристалла и имеет противопо- ложный знак:

q = -d₁F_Yb/a, (4.18)

где d₁ – та же постоянная, что и в формуле (4.18); b, а – длина и ширина граней соответственно.

Из (4.17) видно, что в случае необходимости можно повысить чувствительность пьезоэлектрика, увеличив отношение b, а.

В случае растягивающих усилий вдоль осей Х и Y возникаю- щие заряды будут иметь знаки, противоположные случаю сжи- мающих усилий.

В тех случаях, когда параллелепипед вырезан не вдоль осей, а под углом к ним, возникающие заряды будут меньше. Учет углов рассматривается в специальной литературе.

В качестве пьезоэлектриков наиболее часто применяют сегне- тову соль, кварц, титанат бария, пьезокерамику на основе свинца и бария.

Наибольшее применение для измерительных целей получил кварц, так как он обладает высокой механической прочностью,

хорошими изоляционными качествами, независимостью пьезо- электрической постоянной от температуры в широком диапазоне (до 200°С коэффициент d₁ совсем не зависит от температуры, а в пределах 200...500°С зависит незначительно). Кроме того, кварц негигроскопичен. Недостатком кварца является значительная за- висимость удельного сопротивления кварца от температуры. Так, при изменении температуры от 20 до 300°С удельное сопротив- ление кварца вдоль оптической оси сильно меняется от 1 · 10¹² до 6 · 10⁵ Ом · м²/м,

Устройство пьезоэлектрического преобразователя схематично изображено на рис.4.60.

2

3

* * * * * * * * ^{* * * * * *}

* * * * * *

- -

+ +

1 ^P ₅ 4

Рис. 4.60. Устройство пьезоэлектрического преобразователя: 1 – кварцевые пластины; 2 – пробка; 3 – кабель; 4 – мембрана;

5 – латунная фольга

Здесь измеряемое давление Р действует на мембрану 4, кото- рая является одновременно дном корпуса преобразователя. Квар- цевые пластины 1 соединены параллельно. Наружные обкладки кварцевых пластинзаземляются,а средняяобкладка (латунная фольга 5) изолируется относительно корпуса самим кварцем, удельное сопротивление которого велико (при 20 °С ρ = 1 · 10¹² Ом · м²/м).

Сигнал с кварцевых пластин снимается при помощи латунной фольги 5 и по кабелю 3 подается на вход измерительного усили- теля. Для удобства соединения вывода от фольги с внутренней

жилой экранированного кабеля в корпусе преобразователя преду- смотрено отверстие, закрываемое пробкой 2.

Заряд, возникающий на гранях пьезоэлемента под действием давления Р, сохраняется лишь при отсутствии утечки, т.е. при бесконечно большом входном сопротивлении измерительной це- пи. Практически это условие невыполнимо, а потому пьезоэлек- трические преобразователи для измерения статических сил не применяются. При действии динамических, т.е. переменных во времени, сил количество электричества на гранях все время вос- полняется и становится возможным потребление тока измери- тельной цепью.

Тем не менее, требование к величине входного сопротивления измерительной цепи остается жестким, так как выходная мощ- ность пьезоэлектрических преобразователей очень мала и на вы- ход преобразователя должен быть включен усилитель с возможно большим входным сопротивлением (10¹⁰...10¹³ Ом). Этому требо- ванию обычно удовлетворяют только электрометрические лампы. Если вдоль электрической оси пьезоэлектрика приложена си-

ла, изменяющаяся по закону синуса, т.е. F_x=F_Xmsinωt, то напря- жение на выходе преобразователя тоже будет изменяться синусо- идально.

Если бы входное сопротивление измерительной цепи было бесконечным, то напряжение преобразователя U определялось бы только генерируемым количеством электричества q и собствен- ной емкостью С₀:

U=q/C₀=d₁F_Xmsinωt/C₀. (4,19)

Величина C₀ обычно составляет десятки пикофарад. Величина сопротивления пластин пьезоэлектрика, например из кварца, оставляет 10¹⁵...10¹⁶ Ом. Поверхностное сопротивление кварца лежит в пределах 10⁹...10¹⁰ Ом. Необходимо следить за тем, что-

бы поверхность пьезоэлектрика не загрязнялась, в противном случае сопротивление резко упадет.

Основными составляющими погрешностями пьезоэлектриче- ских преобразователей являются:

• погрешность от изменения параметров измерительной цепи (например, емкости С_вх);

• погрешность от изменения окружающей температуры, свя- занная с изменением пьезоэлектрической постоянной:

• погрешность из-за неправильной установки пластин, кото- рая может быть учтена при градуировке;

• погрешность,вызванная чувствительностью к силам,дей- ствующим вдоль механической оси;

• частотная погрешность.

Нижняя граница частотного диапазона определяется величи- нойпостоянной времени цепи τ = R(C_вх + С₀), которая может быть увеличена путем увеличения входного сопротивления R_вх. Увели- чение входной емкости С_вх ведет к потере чувствительности пре- образователя.

Верхняя граница допустимого частотного диапазона опреде- ляется частотой собственных колебаний преобразователя. Пьезо- электрические преобразователи могут быть выполнены с часто- той собственных колебаний до 100 кГц, что позволяет использо- вать их для измерения механических величин, изменяющихся с частотой 7...10кГц.

Пьезоэлектрические преобразователи применяются для изме- рения переменных сил, давлений, вибрационных ускорений.

Примером применения пьезоэлементов служат профилометры

• приборы для оценки шероховатости поверхности обрабатывае- мой детали (рис.4.61).

Ощупывающая алмазная игла 1, имеющая радиус закругления 1,5 мкм, укреплена на конце подвижного коромысла 2, которое может вращаться вокруг оси 3. На другом конце коромысла име- ется «смычок» 4, связывающий при помощи эластичной ленточки 5 подвижное коромысло 2 со свободным концом пластинок 6 из сегнетовой соли. Другой конец пластинок закреплен неподвижно. Пластинки соединены параллельно так, что на наружных гранях пластинок появляется заряд одного знака.

4

5

+

-

-

+

1 2 3 6

7

* * * * * *

* * * * * *

Рис. 4.61. Устройство профилометра: 1 – алмазная игла; 2 – подвижное коромысло; 3 – ось; 4 – «смычок»; 5 – эластичная ленточка; 6 – пластинки; 7 – экранированный кабель

При перемещении иглы 1 в вертикальном направлении (из-за шероховатостей исследуемой поверхности) свободный конец пластинок 6 также перемешается, пластинки изгибаются и на по- верхностях пластин появляется заряд. Гибкий экранированный кабель 7 соединяет грани пьезопреобразователя с измерительной цепью.