литература / Sharapov_V._Datchiki

Рис. 9.8. Пьезоэлектрический датчик с обратной связью

Глава 9. Пьезоэлектрические датчики

Так, если мы изменим направление вектора поляризации таким образом, чтобы он был перпендикулярен граням 2-2/ параллелепипеда, мы получим еще 9 вариантов исполнения датчика. Наконец, повернув вектор поляризации так, чтобы он стал перпендикулярен граням 3-3/ пьезоэлемента, мы можем получить еще 9 вариантов исполнения датчика. Всего же для одного пьезоэлемента в виде прямоугольного параллелепипеда можно получить 27 вариантов датчиков с различными характеристиками.

Для сравнения на рис. 9.9 приведены экспериментальные амплитудно-час- тотные (АЧХ) и импульсные характеристики описанных в табл. 9.3 датчиков, изготовленных из бруска 50 / 10 / 10 мм.

9.8. Обратная связь в пьезоэлектрических датчиках

Отрицательная обратная связь (ООС) широко применяется в автоматическом управлении, радиотехнике, электронике, измерительной технике и др. [11, 13].

Обычно ООС в измерительных устройствах вводится по входному воздействию. Для силоизмерительных преобразователей это требует создания силовых компенсаторов, что сводит на нет преимущества от введения ООС.

Выходное напряжение пьезоэлектрических датчиков зависит не только от приложенной силы (давление, ускорение и т.п.), но и от электрического напряжения на их входе. И.Г. Минаевым в этом случае было предложено вводить ОС не по основному (измерительному) каналу, а по дополнительному каналу датчика [19, 20].

Предложенный метод позволяет отказаться от необходимости создания силовых компенсаторов, а значит, значительно упрощает конструкции пьезокерамических датчиков с ООС. В этом случае можно также говорить о том, что сам пьезоэлемент является одновременно и силовым компенсатором. Кроме того, так как суммирование сигналов прямого преобразования и ОС производится в объеме пьезоэлемента, то такая ОС получила название пространственной электромеханической ОС [18—20].

Схема пьезокерамического преобразователя с обратной связью, реализующая предложенный метод, показана на рис. 9.8.

Датчик, изображенный на рис. 9.8, представляет собой замкнутую статическую следящую систему [11, 13] и состоит из пьезоэлемента ПЭ и согласующего усилителя напряжения УН. На пьезоэлемент нанесены три электрода 1, 2 и 3, причем электрод 1 подключен ко входу согласующего усилителя напряжения, электрод 2 — к общему

проводу схемы, а электрод 3 — дополнительный электрод пьезоэлемента — к выходу согласующего усилителя напряжения.

Структурная схема этого преобразователя показана на рис. 9.9.

Здесь звену с коэффициентом передачи W1 соответствует преобразование силы F, действующей на пьезоэлемент ПЭ, в механическое напряжение 1.

9.8. Обратная связь в пьезоэлектрических датчиках

Рис. 9.9. Структурная схема пьезоэлектрического преобразователя с электромеханической обратной связью

Звено W2 соответствует преобразованию > в заряд q на электродах пьезоэлемента. Звено W3 соответствует преобразованию заряда q в напряжение на электродах пьезоэлемента UПЭ1. Звено W4(р) описывает процесс, происходящий при подключении нагрузки к пьезоэлементу (передачу напряжения UПЭ1 во входную цепь усилителя). Звено W5 соответствует передаточной характеристике усилителя напряжения. Звено W6(р) описывает процесс, обратный звену W4(р), происходящий при подведении напряжения от усилителя напряжения к дополнительному электроду пьезоэлемента (передача напряжения UВЫХ в напряжения между электродами пьезоэлемента UПЭ2). Наконец, звено W7 соответствует преобразованию напряжения UПЭ2 в механическое напряжение 2.

Передаточная функция датчика с ООС:

W OC (p)		W1 W2 W3 (p)W 4 (p)W5 (p)	W1			W (p)	, (9.13)
		W2 W3 (p)W 4 (p)W5 (p)W6 (p)W 7		1		W (p)%(p)
1

где W ( p) W 2 W 3 ( p)W4 ( p)W 5( p) — коэффициент передачи цепи прямого преобразования, охваченной ООС; % ( p) W6 ( p)W 7 — коэффициент передачи цепи ООС.

В работах [18—20] показано, что при выполнении условия W ( )%( ) 1:

•чувствительность датчика уменьшается вдвое;

•АЧХ датчика становится линейной в достаточно широком диапазоне частот;

•относительная погрешность датчика стремится к нулю ; 0.

Отрицательная обратная связь обеспечивает также улучшение характеристик доменно-диссипативных датчиков [19].

В пьезокерамических датчиках с ООС могут использоваться мономорфные, биморфные и триморфные пьезоэлементы (см. разд. 9.9), а также усилители напряжения или заряда.

Один из вариантов датчика с пьезоэлементом в цепи ООС усилителя заряда показан на рис. 9.10.

Для этой схемы

U вых		Q	,	(9.14)
		CПЭ

т.е. выходное напряжение датчика с пьезоэлементом в цепи ООС равно выходному напряжению пьезо-

Рис. 9.10. Пьезоэлектрический датчик с пьезоэлементом в цепи ООС зарядового усилителя

Глава 9. Пьезоэлектрические датчики

элемента вообще без усилителя, т.е. напряжению прямого пьезоэффекта. Следовательно, и погрешность измерения зависит только от характеристик пьезоэлемента.

Разработано также значительное количество схем пьезоэлектрических датчиков с двумя контурами ООС, что в некоторых случаях позволяет улучшить их характеристики. В этих случаях могут применяться как усилители напряжения, так и заряда [18, 19].

На рис. 9.11 показан один из вариантов датчика с двухконтурной ООС с усилителями напряжения [25].

Структурная схема этого датчика изображена на рис. 9.12.

Рис. 9.11. Вариант пьезоэлектрического датчика с двухконтурной ООС с усилителями напряжения

Рис. 9.12. Структурная схема датчика с двухконтурной ООС

Описание этой структурной схемы, а также некоторых вариантов датчиков с двухконтурной ООС можно найти в [19].

Следует, однако, отметить, что амплитудно-частотные характеристики пьезоэлементов и цепей обратной связи существенно зависят от пространственного расположения и размеров электродов, формы пьезоэлемента и др., поэтому вопрос об эффективности обратной связи должен быть подтвержден экспериментально для каждого конкретного случая.

9.9.Биморфные и триморфные пьезоэлементы

9.9.Биморфные и триморфные пьезоэлементы

Биморфные пьезоэлементы (БПЭ) состоят из двух частей — двух пьезоэлементов, соединенных между собой, или пьезоэлемента и металлической пластины, также соединенных между собой с помощью эпоксидного компаунда или легкоплавкого припоя.

Биморфные элементы, состоящие из двух пьезоэлементов, были названы симметричными. Речь здесь идет о симметрии расположения пьезоэлементов относительно нейтральной плоскости при его изгибе. Биморфные элементы, состоящие из пьезоэлемента и металлической пластины, по этим же соображениям были названы асимметричными [4, 19].

Триморфные элементы — это элементы, состоящие из двух пьезоэлементов и металлической пластины.

Следует отметить, что соединение двух пьезоэлементов или пьезоэлемента и металлической пластины в одну конструкцию приводит к существенному изменению характеристик преобразователя. Например, пьезоэлемент диаметром 30 и толщиной 0,3 мм из пьезокерамики ЦТС — 19 имеет минимальную резонансную частоту ~ 70 кГц (радиальные колебания), чувствительность его к звуковому полю на частоте 100 Гц составляет ~ 1мВ/Па. Соединение двух таких пьезоэлементов в симметричный биморф приводит к появлению резонансных частот ~ 2,5 и 3,45 кГц (изгибные колебания), а чувствительность его при тех же условиях возрастает до 20—30 мВ/Па. Не в два, а в 20-30 раз! А соединение пьезоэлектрической и металлической (аморфной) пластин в асимметричный биморф в то же время приводит к увеличению чувствительности в 10—20 раз [25].

Пьезоэлементы в симметричном и пьезоэлемент и металлическая пластина в асимметричном БПЭ соединяются между собой обычно с помощью эпоксидного компаунда или легкоплавкого сплава или припоя. Технология склейки описана в [25].

Возникновение изгибных колебаний в БПЭ обусловлено анизотропией механических свойств пьезоэлемента, металлической пластины и клеевого соединения.

Для БПЭ в виде дисков существует, по крайней мере, два основных резонанса изгибных колебаний (рис. 9.13). В первом случае БПЭ закреплен по образующей (рис. 9.13, а). Это самая низкая резонансная частота для БПЭ данного размера. Во втором случае (рис. 9.13, б) БПЭ расположен свободно. В этом случае основная резонансная частота примерно в 1,4 раза выше, чем для первого случая.

а)

б)

Рис. 9.13. Колебания биморфных элементов: а — жесткое закрепление по образующей; б — свободное расположение

Рис. 9.16. Асимметричный биморфный пьезоэлемент: 1 — пьезоэлемент; 2 — металлическая пластина

Глава 9. Пьезоэлектрические датчики

		Симметричные биморфные пьезоэлементы
		Известны две схемы соединения пьезоэлементов: последовательная и па-
	раллельная (рис. 9.14, а, б соответственно) [19].
			Традиционно эти преобразователи из-
			готавливаются из		пластин	одинаковых
			размеров и, что очень важно, одинаковой
			толщины (рис. 9.15). Это обеспечивает
			максимальную чувствительность. Следует,
			однако, отметить, что при одинаковых
			размерах пьезоэлементов			чувствитель-
	а)	б)	ность	преобразователя по параллельной
			схеме и его собственное сопротивление в
	Рис. 9.14. Схемы соединения пьезо-		четыре раза меньше соответствующих ха-
	элементов в симметричном биморф-		рактеристик преобразователя по последо-
	ном преобразователе: а — последо-		вательной схеме.
	вательная; б — параллельная		Количественной мерой			эффективно-
			сти деформаций в электрическое напря-
			жение для однородных деформаций явля-
			ются статические коэффициенты электро-
			механической связи (КЭМС). В электри-
			ческом поле в однослойной пластине с
			толщинной поляризацией возникает од-
	Рис. 9.15. Симметричный биморф-		нородная планарная деформация. Стати-
			ческий КЭМС K p		для такого типа дефор-
	ный преобразователь с пьезоэлемен-
	тами одинаковой толщины		мации	является	табличной	величиной,

которая имеет различные значения для различных составов пьезокерамики [19].

Для рассмотрения эффективности электромеханического преобразования энергии при колебательных деформациях вводится динамический (эффективный) КЭМС, который для однородной деформации находится по простым формулам [24]. Для неоднородной деформации нахождение эффективного КЭМС базируется на решении краевой задачи электроупругости и на энергетической теории [23, 24].

Асимметричные биморфные пьезоэлементы

Асимметричные биморфные преобразователи отличаются большей механической прочностью и состоят из металлической пластины с приклеенным к ней поляризованным по толщине плос-

ким пьезоэлементом (рис. 9.16).

Одной из основных характеристик преобразователей, работающих в режиме приема, является чувствительность холостого хода.

Решение задачи колебаний для симметричного и асимметричного БПЭ можно найти, например, в [19], откуда следует несколько практических выводов.

9.9.Биморфные и триморфные пьезоэлементы

1.Чувствительность (как в режиме приема, так и излучения) обратно пропорциональна толщине пьезоэлемента. Однако уменьшение толщины пьезоэлемента ограничивается его механической прочностью и возможностями технологии.

В настоящее время толщина дисковых пьезоэлементов для БПЭ составляет 0,15—3,0 мм и более.

2.Чувствительность БПЭ зависит также от соотношения толщин пьезоэлемента hp и металлической пластины hм.

3.При увеличении диаметра пьезоэлемента сначала чувствительность увеличивается. При дальнейшем увеличении диаметра пьезоэлемента жесткость БПЭ возрастает настолько, что чувствительность начинает уменьшаться. Поэтому обычно диаметр пьезоэлемента выбирают равным примерно 0,5—0,7 от диаметра металлической пластины [19, 24].

Триморфные пьезоэлементы

Возможны несколько вариантов выполнения триморфных элементов (рис. 9.17).

а)

б)

Рис. 9.17. Триморфные пьезоэлементы: а — асимметричный; б — симметричный; 1, 2 — пьезоэлементы; 3 —металлическая пластина

Следует отметить, что кроме увеличения жесткости колебательной системы и связанного с этим снижения чувствительности и увеличения чувствительности при подключении второго пьезоэлемента для биморфных и триморфных элементов важную роль играет расположение нейтральной плоскости. Это может привести к частичной или даже полной компенсации зарядов на одном из пьезоэлементов и, следовательно, к существенной потере чувствительности. Идеальным случаем является расположение этой плоскости между основным и дополнительным пьезоэлементом, что для асимметричного триморфного элемента достичь весьма затруднительно.

Этим требованиям вполне удовлетворяет конструкция симметричного (относительно нейтральной плоскости) триморфного пьезоэлемента (рис. 9.17, б).

Контроль биморфных пьезоэлементов

Опыт серийного производства биморфных пьезоэлементов показывает, что при их изготовлении возможны следующие дефекты [19]:

1)отсутствие пьезоэффекта в материале пьезоэлемента;

2)короткое замыкание между электродами пьезоэлемента. Такое замыкание возникает за счет металлических проводников различного происхождения по наружной поверхности пьезоэлемента, а также при пробое пьезоэлемента при его поляризации;

3)отсутствие электрического контакта между металлической мембраной и прилежащим к ней электродом пьезоэлемента или в цепи, идущей от пьезоэлемента к усилителю;

Глава 9. Пьезоэлектрические датчики

4) недостаточная механическая прочность клеевого соединения пьезоэлемента и металлической мембраны.

Дефекты, указанные в п.п. 1—3, приводят к снижению практически до нуля чувствительности преобразователя. Однако «нулевая» чувствительность возникает также и при выходе из строя транзистора, ошибках в монтаже предусилителя (короткое замыкание между сигнальным проводом и экраном кабеля преобразователя, ошибочное подключение пьезоэлемента к общему проводу усилителя).

Схемы для контроля пьезоэлементов описаны в [21].

9.10. Резонансные пьезодатчики

Эти датчики используются для измерения как механических величин (усилий, давления, в том числе, статического, линейных и вибрационных ускорений), так и электрических, магнитных величин, температуры, вязкости, влажности, перемещений и других величин. Кроме того, резонансные преобразователи используются в пьезоэлектрических двигателях, гироскопах, устройствах автоматики, связи, вычислительной техники, сканерах для наномикроскопов и др. [19, 21].

Воснове этих датчиков лежат эффекты изменения их добротности в функции механического воздействия или коэффициента передачи системы излучающий — приемный резонатор в функции давления газа в промежутке между резонаторами.

Создание и совершенствование этих преобразователей связывают с именами Р.Г. Джагупова, Э.А. Кудряшова, В.В. Малова, М.Г. Минаева, И.Е. Сырмолотнова, В.Ю. Снитко, А.И. Трофимова, В.М. Шарапова и др.

Резонансные пьезоэлектрические датчики изготовляют из монокристаллических материалов (кварц, ниобат лития и др.) или из пьезокерамики. Датчики из монокристаллических материалов отличаются высокой точностью и стабильностью, но сложны и дороги, что существенно сужает область их применения. Этим преобразователям посвящена монография В.В. Малова [12].

Пьезокерамические датчики обладают меньшей точностью и стабильностью, но имеют более простую конструкцию, меньшую цену, что в ряде случаев является решающим фактором.

Пьезорезонансные преобразователи (ПРД) могут быть классифицированы по природе преобразуемого датчиком воздействия (механическое, тепловое, электромагнитное и т.д.). Еще одна классификация — по типу основного эффекта (механизма), ответственного за преобразование приведена в [12].

Вклассификацию следует включить также обширный класс резонансных датчиков, основным элементом которых являются биморфные пьезоэлементы. Работа этих преобразователей и их применение описаны в фундаментальной монографии Р.Г. Джагупова и А.А. Ерофеева [3].

Приведенная классификация [12] не является исчерпывающей. Группа ПРД, названная в данной классификации «акустическими», является частным случаем ПРД, в которых на колеблющийся пьезоэлемент воздействует проме-

9.10. Резонансные пьезодатчики

жуточное твердое тело. Выходной сигнал таких ПРД зависит от контактных явлений между пьезоэлементом и деталями, передающими на него механическое воздействие. Поэтому более точным для таких ПРП является название «контактные ПРД». Этим преобразователям посвящен ряд книг А.И. Трофимова (например, [15]), а также значительное количество работ И.Г. Минаева и В.М. Шарапова [19, 20].

Кварцевые пьезодатчики. В зависимости от выбранного среза кварца могут быть изготовлены датчики статических усилий, давлений, ускорений, температуры, влажности и т.д. [12].

Конструкции кварцевых резонансных датчиков различных физических величин описаны в [16].

ПАВ датчики. Поверхностные акустические волны (ПАВ) находят широкое применение при разработке фильтров и линий задержек, применяемых в радиотехнических устройствах. ПАВ используются также при разработке датчиков [12].

Для возбуждения ПАВ на поверхность пьезоэемента наносятся гребенки встречно включенных электродов (рис. 9.18, б), представляющие собой встреч- но-штыревой преобразователь (ВШП), имеющий шаг l0 . При подключении напряжения к электродам ВШП под ними вследствие обратного пьезоэффекта происходят смещения частиц и возникает ПАВ, распространяющаяся в обе стороны. Если при этом длина волны совпадает с шагом ВШП, то вследствие суперпозиции колебаний, возникающих под каждой парой электродов, суммарная энергия ПАВ достигает максимума. Если длина волны не совпадает с шагом ВШП, энергия ПАВ уменьшается, и при определенном соотношении между и l0, волна за пределами ВШП может полностью погаситься.

а)

б)

в)

Рис. 9.18. Датчик на поверхностных акустических волнах

Для приема энергии ПАВ используется второй ВШП, также имеющий шаг, равный длине волны. На электродах приемного ВШП вследствие прямого пьезоэффекта возникают заряды и появляется напряжение. Линия задержки состоит из входного и выходного ВШП. В первом приближении оба ВШП можно рассматривать как локальные электроды, расположенные на расстоянии L, равном расстоянию между геометрическими центрами ВШП. Время задержки равно времени прохождения акустической волны между ВШП. т.е. 2 L / C, где C Eij / — скорость распространения ПАВ; Еij — константа упругости — плотность материала.

В кварце Y-среза скорость распространения ПАВ равна С = 3159 м/с. Таким образом, при L = 10 мм время задержки составляет около 3 мкс. Длина волны определяется скоростью распространения и частотой возбуждения волн и составляет C / f . Современная технология обеспечивает возможно-

Рис. 9.19. Механическая модель резонансного контактного преобразователя

Глава 9. Пьезоэлектрические датчики

сти создания ВШП с шагом до l0 = 10 мкм; таким образом, рабочие частоты ПАВ могут лежать в диапазоне до 300 МГц [12].

Резонансные контактные преобразователи

Выходные характеристики контактных пьезокерамических преобразователей в значительной степени определяются способом приложения измеряемого усилия к колеблющемуся пьезоэлементу. Пьезоэлемент может быть выполнен практически любой конфигурации, однако в преобразователях чаще всего применяются пьезоэлементы дисковой формы. Пьезоэлемент в этом случае возбуждается либо на радиальной моде колебаний, либо по толщине. Для построения преобразователей используют как пьезорезонаторы, так и пьезотрансформаторы.

Измеряемое усилие может прикладываться как к плоским граням пьезоэлемента, так и к цилиндрической поверхности. Максимальную чувствительность имеют преобразователи, в которых измеряемое усилие приложено к цилиндрической поверхности пьезоэлемента, колеблющегося на резонансной частоте радиальной моды колебаний [19].

Измеряемое усилие воспринимают отдельные участки поверхности пьезоэлемента, образующие фактическую площадь контакта. Управление характеристиками контакта (контактной жесткостью и фактической площадью контакта) дает возможность управлять характеристиками датчика.

Пьезодатчик является электромеханической колебательной системой, обладающей сравнительно высокой добротностью, поэтому его с достаточной точностью можно рассматривать как колебательную систему с сосредоточенными параметрами [19]. Этот прием широко распространен в тех случаях, когда, оставляя вне рассмотрения внутренние связи, определяют влияние внешних воздействий на параметры колебательной системы.

Механическая модель пьезодатчика с сосредоточенными постоянными изображена на рис. 9.19. Пьезоэлементу здесь соответствует масса m1, упругость k1 и элемент трения h1, соединенные узлом. Такое соединение механических элементов, как известно, соответствует последовательному электрическому контуру, что полностью справедливо для пьезоэлектрического резонатора и лишь в первом приближении для пьезотрансформатора, так как в последнем случае не учитывается его коэффициент трансформации.

Пьезоэлемент колеблется под действием возбуждающей гармонической силы Fm sin t, пропорциональной напряжению возбуждения. Измеряемое усилие представлено действием силы веса массы m2 твердого тела,

взаимодействующего с пьезоэлементом через посредство невесомой упругой связи с коэффициентом жесткости k2, отражающим упругие свойства контакта между указанным телом и пьезоэлементом. Потери в контакте представлены коэффициентом вязкого трения h2. Зависимость контактной жесткости от усилия нелинейная, однако при изменении нагрузки в небольшой окрестности какого-либо ее фиксированного значения можно считать коэффициент кон-

9.10. Резонансные пьезодатчики

Рис. 9.20. Амплитудно-частотные характеристики резонансного датчика Ν 30 / 10 мм при изменении усилия от 0 до 5 кГс

тактной жесткости величиной постоянной. Это предположение подтверждается тем, что амплитудно-частотная характеристика пьезодатчика имеет вид, характерный для систем с линейной восстанавливающей силой (рис. 9.20). Полагаем также, что через силы трения связь не осуществляется.

Нетрудно показать, что амплитуда резонансных колебаний пьезоэлемента, а следовательно, однозначно с нею связанное выходное напряжение пьезоэлемента при указанных выше допущениях обратно пропорционально контактной жесткости.

Описания этого типа датчиков можно найти в [19].

Из результатов рассмотрения механической и электрической моделей ре-

зонансного компактного пьезодатчика следуют также два весьма ценных для практики вывода. С помощью этих датчиков можно измерять две важнейших характеристики механического контакта — контактную жесткость и фактическую площадь контакта [19].

Преобразователи с ультразвуковыми концентраторами

Ультразвуковые концентраторы (УК) — устройства для увеличения интенсивности ультразвука, т.е. амплитуды колебательного смещения частиц.

Ультразвуковой концентратор представляет собой механический трансформатор колебаний. Это означает, что амплитуда смещений на выходной стороне концентратора в К раз больше, чем на входной, где К — коэффициент передачи концентратора.

Известны два типа концентраторов, принцип действия которых различен: фокусирующие, или высокочастотные и стержневые, или низкочастотные.

Эффект увеличения чувствительности резонансных пьезокерамических датчиков механических величин при использовании УК впервые обнаружен и частично изучен И.Г. Минаевым и В.М. Шараповым в 1976 г. Некоторые применения УК в преобразователях описаны в работах А.И. Трофимова [15] и В.М. Шарапова [19, 20].

	Простейший преобразователь с УК
	показан на рис. 9.21. Здесь на поверхно-
	сти пьезотрансформатора 1 установлен	Рис. 9.21. Резонансный пьезопреоб-
	ступенчатый концентратор 2. Пьезотранс-
		разователь с ультразвуковым кон-
	форматор подключен к генератору 3 элек-
		центратором: 1 — пьезотрансформа-
	трических колебаний и измерительному
		тор; 2 — концентратор; 3 — генера-
	устройству 4. На рис. 9.22 показана зави-
		тор; 4 — измерительное устройство