Свойства пьезоэлектрических преобразователей.

Сегнетова соль KNT характеризуется наибольшей пьезоэлектрической постоянной d₁ = 300·10^-12 Кл/Н. Используется редко из-за большой гигроскопичности и малой механической прочности.

Пьезокерамика – это поляризованная керамика, состоящая из смеси различных металлов. После спекания (500 ⁰С) и поляризации 1000 В, она обладает пьезоэлектрическими свойствами.

Например, титанат бария ТБ (q₁=107·10^-12 Кл/н); цирконит-титанат-свинца ЦТС (q₁=200·10^-12 Кл/н); ниобат свинца НБС (q₁=165·10^-12 Кл/н).

Деформация пластин в пьзокерамике может осуществляться различными способами (рисунок 7.2.). Виды крепления биморфных элементов приведены на рисунке 7.3.

Рисунок 7.2. Виды деформаций пьезоэлектрических элементов под действием силы F: а, б, в – перпендикулярно к плоскости и торцам; г, д – сдвиговые деформации

Рисунок 7.3. Виды крепления биморфных пьезоэлектрических элементов состоящих из двух пластин, подверженных силе F: а – изгиб; б – прогиб; в – кручение; г, д – изгиб

Для описания свойств пьезоэлементов в статическом режиме используют коэффициенты (до 43 констант), например, коэффициент связи между входной механической и выходной электрической величинами, диэлектрическая проницаемость, упругость и др. На практике обычно измеряют не заряд, а напряжение на пластинах образующих электрическую емкость Сд:

.

Например для кварцевого диска (d₁=2.2·10^-12 Кл/н) диаметр 10 и толщина 1 мм (Сд=3.1·10^-12 Ф) и силой 10 Н напряжении:

U = 2,2×10^-12×10/3,1×10^-12 = 7,3 В.

Заряд не может сохраняться бесконечно долго. Из-за наличия поверхностного сопротивления элемента происходит разряд, поэтому эти преобразователи предназначены для преобразования переменных механических сил.

Динамические свойства преобразователя можно определить по эквивалентной электрической схеме, составленной из электрических и механических параметров преобразователя (рисунок 7.4.)

Рис. 7.4. Эквива­лентная электриче­ская схема пьезоэлек­трического преобра­зователя. С₁, L₁, R₁ – эквивалентные электрические упругости, масса и сопротивление; С₀ – электрическая емкость преобразователя

Используя метод электромеханических аналогий, проводимость такой цепи можно представить в виде:

.

Из этого выражения следует, что рассматриваемая схема имеет два условия резонанса:

– последовательный резонанс определяется механическими параметрами R₁, L₁, C₁. (полное сопротивление этой ветви гораздо меньше, чем сопротивление емкости C₀);

– параллельный резонанс (антирезонанс) обусловлен параллельным соединением С₀ и L₁. Графически частотная характеристика имеет следующий вид (рисунок 7.5.):

Рисунок 7.5. Изменение полного сопротивления от частоты пьезоэлектрического преобразователя в области резонанса: на схеме f_р – резонансная частота: f_ар – частота антирезонанса

Эквивалентная электрическая схема преобразователя имеет следующий вид (рисунок 7.6.):

Рисунок 7.6. Эквивалентная электрическая цепь пьезоэлектрического преобразователя. С и R – приведенные к вводу электрическая емкость и сопротивление

.

Преобразователи, в которых одновременно используются прямой и обратный эффект называются пьезорезонаторами, имеющие максимальный коэффициент преобразования на резонансной частоте и резко уменьшается при отсутствии от резонансной частоты.

При рассмотрении пьезоэлектрических преобразователей следует иметь ввиду еще один эффект – пироэлектричество – появление зарядов на обкладках преобразователя при его нагревании (пиро-огонь).

Конструктивные варианты пьезоэлектрических преобразователей представлены на рисунке 7.7.

Рисунок 7.7. Миниатюрные датчики акселерометров с ферроэлектрическими керамическими дисками: а – с предваритель­ным поджатием; б – соединенный при помощи пайки, неэкранированный; в – соединенный при помощи пайки, экраниро­ванный и влагонепроницаемый; 1 – изоляция; 2 – инерционная масса; 3 – керамика; 4 – основание; 5 – резьба; 6 – выводы; 7 – соединение пайкой; 8 – покрытие; 9 – экран

Основными источниками погрешностей является температура и влажность. При изменении температуры изменяются такие параметры, как чувствительность, тангенс угла потерь, диэлектрическая проницаемость, сопротивление утечки. При изменении влажности изменяется сопротивление изоляции всех частей преобразователя.

В качестве измерительных цепей, как правило, используются цепи с операционными усилителями для обеспечения большого входного сопротивления (рисунок 7.8.).

а) б)

Рисунок 7.8 Схемы операционных усилителей с пьезоэлектрическими преобразователями: а – усилитель напряжения; б – усилитель заряда

Усилитель заряда имеет следующие параметры: коэффициент усиления ~10⁵, входное сопротивление ~10¹⁰ Ом, входной ток усилителя ~10^-13 А, постоянная времени ~50 с.

С=С₀+С_к+С₁, где С_к – емкость кабеля.