Тема 1.5 Пьезоэлектрические датчики. Ультразвуковые датчики. Акустические и струнные датчики
1 Пьезоэлектрические датчики
Принцип действия.
Работа пьезоэлектрического датчика основана на пьезоэлектрическом эффекте, который был открыт в 1880г. ("пьезо" - означает сжимаю). Сущность его заключается в том, что на гранях некоторых кристаллов при их сжатии или растяжении появляются заряды, подобные поляризационным.
Пьезоэлектрические датчики относятся к датчикам генераторного типа (входная величина- сила, выходная - количество электричества).
Различают прямой и обратный пьезоэлектрический эффект.
Прямой пьезоэлектрический эффект состоит в том, что под влиянием механических напряжений на гранях некоторых кристаллов появляются электрические заряды. При снятии усилий кристалл возвращается в не наэлектризованное состояние. Прямой пьезоэлектрический эффект используется для измерения быстро протекающих динамических процессов - давления в стволах орудий при выстреле, давления газов в двигателях внутреннего сгорания, давления звуковых колебаний. Большое применение получили пьезоэлектрические адаптеры (звукосниматели), манометры, вибраторы, измерители ускорений (акселерометры) и многие другие устройства.
Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при внесении пьезокристалла в электрическое поле, силовые линии которого совпадают с направлением пьезоэлектрической оси, происходит изменение геометрических размеров кристалла (сжатие или растяжение).
Обратный пьезоэлектрический эффект применяется в ультразвуковых генераторах для очистки поверхности изделия из металла, стекла, керамики; для пайки и лужения металлов, окисляемых на воздухе и т.п.
Выходная мощность пьезодатчика мала, поэтому на выходе необходимо включить электронный усилитель с большим выходным сопротивлением.
Достоинства:
1) малые габариты;
2) простота конструкции;
3) надежность в работе;
4) возможность измерения быстропеременных нагрузок.
Физические свойства пьезокристаллов.
1) свойства кристалла кварца:
а)
пьезоэлектрическая постоянная (модуль)
;
б)
относительная диэлектрическая
проницаемость
;
в)
модуль упругости в направлении,
перпендикулярном оптической оси,
;
г)
допустимые механические напряжения
;
д) удельное сопротивление р зависит от температуры.
Ко - сохраняет свойства до температуры 500°С, при температуре 573-576°С кристалл кварца теряет свои свойства.
Достоинства:
1) большая механическая прочность;
2) незначительная зависимость параметров от температуры;
3) высокие изоляционные свойства;
4) невысокая стоимость;
5) линейность характеристики.
2) сегнетова соль.
Преимуществом
сегнетовой соли является большая
величина пьезоэлектрической постоянной
.
Относительная
диэлектрическая проницаемость
.
Недостатки:
1) малая механическая прочность;
2) малое значение удельного сопротивления;
3) сильная гигроскопичность;
4) при изменении температуры и влажности изменяет свои параметры.
Применяется
лишь для измерения быстропеременных
сил и давлений при малой влажности среды
и
градусов.
3) титанат бария:
а)
;
б)
;
в)
.
Достоинства:
1) высокая механическая прочность;
2) независимость параметров от изменения влажности.
Недостатки:
1) изменение пьезоэлектрической постоянной при температуре свыше 100 градусов;
2) с течением времени происходит старение титаната бария, т. е. он теряет свои основные свойства.
4) турмалин:
а)
.
Применяется для измерения гидростатического давления в жидкости.
Недостатки:
1) большая температурная зависимость пьезомодуля;
2) редко встречается в природе и дорог.
5.Метаниобат свинца и бария.
Метаниобат свинца и бария обладают более высокой температурной стойкостью- до 200 градусов. Они получили применение для измерения ускорений.
Конструктивные разновидности пьезоэлектрических датчиков
Рисунок 1.5.1- Схема пьезоэлектрического датчика
1- пластины (2 и более для увеличения чувствительности), соединены параллельно;
2- станиолевые прокладки;
3- корпус;
4- изоляционная прокладка для уменьшения утечки зарядов.
Рисунок 1.5.2- Устройство пьезоэлектрического датчика
1- мембрана, воспринимающая усилия (дно);
2- соединенные параллельно пластины из кварца;
3- латунная фольга;
4- соединительный экранированный кабель;
5- пробка, закрывающая монтажное отверстие.
Расчет пьезодатчиков