2. Пьезоэлектрические преобразователи силы, давления и ускорения

На рис. 2,а схематически изображено устройство пьезоэлектрического преобразователя давления.

Рис. 2

Измеряемое давление Р действует на мембрану 1, представляющую собой дно корпуса преобразователя. Наружные обкладки кварцевых пластин заземляются, а средняя обкладка (латунная фольга 3) изолируется относительно корпуса самим кварцем, имеющим очень высокое удельное сопротивление. Кварцевые пластины 2 соединены параллельно. Сигнал с кварцевых пластин снимается экранированным кабелем 5. для удобства соединения вывода от фольги с внутренней жилой кабеля в корпусе преобразователя предусмотрено отверстие, закрываемое пробкой 4.

Выходная мощность пьезоэлектрических преобразователей очень мала, поэтому на выходе преобразователя должен быть включен усилитель с возможно большим входным сопротивлением.

Эквивалентная схема преобразователя, соединенного кабелем с измерительной цепью, представлена на рис. 2,б, на котором С₀ ‒ емкость между гранями пьезоэлектрика (емкость преобразователя); С_К ‒ емкость кабеля между жилой и экраном и С_ВХ ‒ входная емкость измерительной цепи; R₀ ‒ сопротивление преобразователя; R_К ‒ сопротивление изоляции кабеля; R_ВХ ‒ входное сопротивление измерительной цепи.

Эквивалентную схему можно упростить согласно рис. 2,в, где сопротивление R равно сопротивлению параллельного соединения R₀, R_К и R_ВХ и емкость С= С₀ + С_К + С_ВХ.

достоинствами пъезоэлектрических преобразователей являются малые габариты, простота конструкции, надежность в работе, возможность измерения быстропеременных величин, очень высокая точность преобразования механических напряжений в электрический заряд. для кварца, который по своим упругим свойствам близок к идеальному телу, преобразование механического напряжения в электрический заряд осуществляется с погрешностью 10^-4 … 10^-6. В последние годы в связи с развитием высокоточной электроники появилась возможность реализовать эту точность в широком частотном диапазоне и в измерительных цепях, преобразующих заряд. Таким образом, пьезоэлектрические преобразователи в перспективе являются наиболее точными преобразователями для датчиков давлений, ускорений, сил.

На рис. 4,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. Инерционная масса 3 для уменьшения габаритов датчика изготовлена из легкообрабатываемого сплава с высокой плотностью, 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.

Рис. 4

При длинных линиях связи между датчиком и усилителем для уменьшения помехи необходимо симметрирование измерительной.

В датчике, показанном на рис. 4,а, сопротивления связи между выводами и корпусом несимметричны, так как вывод 4 от внутренних пластин изолирован от корпуса, а внешние пластины и вывод от них, которым является экран кабеля, непосредственно соединены с корпусом. Для обеспечения симметрии сопротивлений связи датчик выполняется из нечетного числа пластин, соединенных так как показано на рис. 4,б. Сквозь центральные отверстия пластины через изоляторы винтом прижимаются к корпусу. Выводы пластин подключаются к усилителю с симметричным входом.

для повышения чувствительности датчиков используются пьезоэлементы из пъезокерамики, имеющей пьезомодуль значительно выше по сравнению с кварцем.

Увеличение чувствительности достигается и при использовании поперечного пьезоэффекта, однако в этом случае тонкая пластина, нагружаемая вдоль, может потерять устойчивость.

Высокую чувствительность имеют также преобразователи с пьезоэлементами, работающими на изгиб, на сдвиг.