Конструктивное исполнение пьезоэлектрических преобразователей.
Достоинствами пьезоэлектрических преобразователей являются малые габариты, простота конструкции, надежность в работе, возможность измерения быстропеременных величин, очень высокая точность преобразования механических напряжений в электрический заряд. Пьезоэлектрические преобразователи в перспективе являются наиболее точными преобразователями для датчиков давлений, ускорений, сил.
|
|
в) |
|
Рисунок 64 |
|
На рисунке 64, 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. 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.
Для увеличения чувствительности пьезоэлектрического преобразователя его пьезоэлемент выполняется в виде ряда параллельно соединенных при помощи металлических прокладок 2 пластин 1 (рисунок 64, б). В этом случае чувствительность преобразователя определяется формулой
, (148)
где
– число параллельно соединенных пластин;
–емкость
одной пластины.
Иногда в пьезоэлектрических преобразователях используют фольгированную с двух сторон пьезоэлектрическую пленку, складывая и после этого запекая ее так, как показано на рисунке 64, в.
Конструкция датчика с изгибным пьезоэлементом показана на рисунке 65. Пьезоэлемент 1 наклеен на упругий элемент 2, представляющий собой круглую плоскую пружину с инерционной массой в виде кольца, прорезанного пазами (рисунок 65, б). Упругий элемент закреплен в центре и при действии ускорения испытывает изгибную деформацию. Размеры пьезоэлемента и упругого элемента выбраны таким образом, чтобы пьезоэлемент испытывал при этом деформацию только одного знака. Заряд с пьезоэлемента снимается при помощи гибкого проводника 3, который подпаивается к верхней обкладке пьезоэлемента и контакту 4, изолированному от корпуса фторопластовой прокладкой 5 и закрытому предохранительным колпачком 6. Датчик герметизируется резиновой прокладкой 7, зажимаемой гайкой 8.
|
|
Рисунок 65 |
|
Увеличение чувствительности достигается и при использовании поперечного пьезоэффекта, однако в этом случае тонкая пластина, нагружаемая вдоль, может потерять устойчивость. Для повышения устойчивости может быть применена схема нагружения, показанная на рисунке 66, а. Преобразователь состоит из трех вертикальных пластин Х-среза, все внутренние и все внешние обкладки которых соединены.
Высокую чувствительность имеют также преобразователи с пьезо-элементами, работающими на изгиб. Пьезоэлемент, называемый би-морфным, составлен из двух пластин. При действии силы F пьезоэлемент прогибается, верхняя пластина испытывает растяжение, нижняя — сжатие и на пластинах наводятся заряды. Пластины в зависимости от направления положительных осей в них (оси указаны стрелками) могут соединяться как параллельно, так и последовательно, как это и показано на рисунке 66, б и в; там же даны и знаки зарядов. Кроме этого, в качестве одной из пластин может быть использован не пьезоэлемент, а металлическая накладка такой толщины, чтобы пьезопластина лежала выше нейтрального слоя (рисунок 66, г).
|
|
|
|
|
|
Рисунок 65 |
|
Для повышения чувствительности используются также пьезоэлементы, работающие на сдвиг. Схематическая конструкция пьезоакселерометра с цилиндрическим пьезоэлементом, работающим на сдвиг, показана на рисунке 66, д.