3. Пьезорезонансные измерительные преобразователи

В пьезоэлектрическом резонаторе происходит преобразование электрического напряжения между электродами в деформацию и механические напряжения в пьезоэлементе, которыё вызывают ответную реакцию по выходу в виде зарядов на электродах, возникающих под действием механических напряжений. Обратимость пьезоэлектрического эффекта позволяет выполнять пьезорезонатор в виде двухполюсника, объединяющего системы электрического возбуждения механических колебаний и съема электрического сигнала.

Резонансные колебания в пьезоэлементе возникают в результате установления в нем стоячих ультразвуковых волн. Длина волны

,

где – скорость распространения ультразвука; – частота излучения; – константа упругости.

Если в пьезоэлементе на длине h между гранями укладывается одна полуволна, то частота колебаний является основной и равна

.

При частотах, значительно меньших ток в цепи возбуждающих электродов мал и определяется в основном межэлектродной емкостью С₀ и сопротивлением изоляции между электродами R₀ (эквивалентная схема пьезорезонатора представлена на рис. 5,а)

По мере приближения частоты возбуждающего напряжения к частоте амплитуда механических колебаний растет. Пропорционально амплитуде колебаний увеличивается заряд на электродах, и в цепи возрастает составляющая переменного тока, вызываемая деформациями пьезоэлемента.

Рис. 5

На рис. 5,б представлена эквивалентная схема пьезорезонатора, в которой введены эквивалентные параметры: индуктивность , емкость и сопротивление , образующие динамический контур эквивалентной схемы. Данная схема соответствует свободно колеблющемуся, т.е. механически не нагруженному, пьезорезонатору (режим короткого замыкания, при котором усилия на поверхностях пьезоэлемента от внешних сил равны нулю).

эквивалентная схема представленная на рис. 5,в учитывает влияние внешних нагрузок в виде включенного сопротивления , которое может иметь как чисто активный (например, если существуют потери на акустическое излучение во внешнюю среду), так и реактивный (например, при присоединении к пьезоэлементу дополнительной массы) характер. В заторможенном состоянии, когда скорости смещений поверхностей пьезоэлемента равны нулю, сопротивление равно бесконечности (режим холостого хода).

В режиме, близком к холостому ходу, работают пьезоэлектрические датчики давлений в ускорений, в которых используется прямой пьезоэффект. Поэтому в эквивалентной схеме этих датчиков динамическая ветвь обычно не учитывается.

Основой пьезорезонансного частотного датчика является пьезорезонатор, частота которого изменяется под действием измеряемой величины. Изменение частоты может происходить:

а) при воздействии температуры, которая влияет на геометрические размеры, плотность и, главным образом, на упругие свойства кварца;

б) под действием механических напряжений в резонаторе или его деформации, также вызывающих изменение ; в) при присоединении дополнительной массы к резонатору, изменяющей его толщину и среднюю плотность .

Соответственно различают термочувствительные, тензочувствительные и массочувствительные пьезорезонаторы. Кроме этого, используются пьезорезонансные датчики с амплитудным выходом, которые работают на частоте, близкой к резонансной. При изменении акустических потерь изменяется амплитуда колебаний.

При построении пьезорезонансного датчика предъявляются требования к пьезорезонатору:

• высокая добротность,

• высокая чувствительность к измеряемой величине,

• малая чувствительность к дестабилизирующим факторам

• возможность возбуждения колебаний только на одной частоте, т.е. моночастотность.

Эти требования обеспечиваются в первую очередь выбором типа среза пьезоэлемента и типа возбуждаемых в пьезоэлементе колебаний.