9.2 П’єзоелектричні перетворювачі сили, тиску, прискорення
П’єзоелектричні перетворювачі використовуються як перетворювачі швидкозмінних тисків у діапазоні від 104 до 107 Па та частотному діапазоні від одиниць герц до десятків кілогерц.
На рисунку 9.3 зображена будова п’єзоелектричного перетворювача.
Рисунок 9.3 - Будова п’єзоелектричного перетворювача
Вимірюваний тиск подається на мембрану 1. Зовнішні обкладки кварцових пластин заземлюються, а середня обкладка (латунна фольга 3) ізолюється відносно корпуса самим кварцом, який має дуже великий питомий опір. Кварцові пластини Х – зрізу 2 з’єднано паралельно. Сигнал з кварцових пластин знімається екранованим кабелем 5. Для зручності з’єднання виводів фольги з внутрішньою жилою кабелю в корпусі передбачений отвір, який закривається пробкою 4.
Вихідна потужність п’єзоелектричних перетворювачів дуже мала, тому на виході перетворювача повинен бути включений підсилювач з максимально великим вхідним опором.
Еквівалентна схема перетворювача, з’єднаного кабелем з вимірювальним каналом зображена на рисунку 9.4.
Рисунок 9.4 - Еквівалентна схема перетворювача, з’єднаного кабелем з вимірювальним каналом
Найчастіше п’єзоелектричні перетворювачі застосовуються в засобах вимірювань прискорень (акселерометрах), найпростіша конструкція яких показана на рисунку 9.5
Рисунок 9.5 – П’єзоелектричний перетворювач акселерометра
До основи корпуса 1 приклеєний п'єзочутливий елемент 2 з інерційною масою 3 і закритим для захисту від зовнішніх чинників кожухом 4.
Рисунок 9.6 – Конструктивні методи підвищення чутливості п’єзоелектричних перетворювачів
При прискоренні акселерометра в напрямку його вертикальної осі на п'єзоелемент буде діяти сила F=ma, де m – маса інерційного елемента; а – вимірюване прискорення. Під дією цієї сили на обкладках п'єзоелемента виникає заряд, що пропорційний прискоренню.
Давачі п'єзоакселерометрів, які сьогодні випускаються, перекривають діапазон вимірювань прискорень 10-4 м/с2 до 106 м/с2. Найчутливіші п'єзодавачі прискорень з чутливістю 100..1000 nКл/(м.с-2) мають верхню межу частотного діапазону декілька сот герц. Високочастотні п'єзодавачі (десятки кілогерц) менш чутливі (0,004 nКл / (м.с-2)).
Для підвищення чутливості давачів використовуються п'єзоелементи із п'єзокераміки. П'єзоелемент виконується у вигляді ряду паралельно з’єднаних за допомогою металевих прокладок 2 пластин 1 (рисунок 9.6,а). Використовують в п’єзоелектричних перетворювачах фольговану з двох сторін п'єзоелементну плівку (рисунок 9.6,б).
Підвищення чутливості досягається і при використанні поперечного п’єзоефекту, проте в цьому випадку пластина може бути нестійкою. Для підвищення стійкості може бути використана схема рисунку 9.6,в. Перетворювач складається з трьох вертикальних пластин, всі внутрішні і зовнішні обкладки яких з’єднані.
Високу чутливість мають також перетворювачі, які працюють на згин (рисунки 9.6,г,д). Також замість однієї пластини може бути використана металічна прокладка (рисунок 9.6,е).
Для підвищення точності використовують перетворювачі, які працюють на зсув (рисунок 9.6, ж).