Пьезорезонансные преобразователи.
В пьезоэлектрическом резонаторе происходит преобразование электрического напряжения между электродами в деформацию и механическое напряжение в пьезоэлементах, которые вызывают ответную реакцию по выходу в виде зарядов на электродах, возникающих под действием механического напряжения. Обратимость пьезоэлектрического эффекта позволяет выполнить пьезорезонатор в виде двухполюсника, объединяющего системы электрического возбуждения механических колебаний и съёма электрического сигнала. Резонансные явления возникают в результате установления стоячих ультразвуковых волн.
V - скорость
f - частота волны
Е - модуль упругости
p - плотность пьезоэлемента
n – целое число полуволн
- частота стоячих
волн
Эквивалентная схема:
Со – статическая ёмкость пластин граней
Lk – характеризует массу пьезоэлемента
Ck – характеризует податливость пьезоэлемента
Rk – механические потери
m – масса
К2эм
– коэффициент электромеханической
связи =
F - сила
n – коэффициент податливости
- последовательный
резонанс (механический)
- параллельный
резонанс (на более высоких частотах)
Например:
для f = 1.5 МГц
Lk = 400мГн; Ck = 0,028 пФ
Сo = 5 пФ; Rk = 35 Ом
добротность
Q
= 20000 =
Основой пьезорезонансного частотного датчика является пьезорезонатор, частота которого изменяется под действием измеряемой величины. Изменение частоты может происходить:
под действием температуры, которая влияет на геометрические размеры, плотность и упругие свойства кварца
под действием деформаций изменяется высота, плотность и податливость
при присоединении дополнительной массы изменяется высота кварца и удельная плотность, то есть различают термочувствительные, тензочувствительные и массочувствительные датчики. Кроме того, используются датчики и самостоятельно; у таких датчиков, работающих на частоте близкой к резонансу, при изменении акустических потерь изменяется и амплитуда колебаний.
РК483 КА - 500 К
резонатор тип регистр. номер вид частота f = 500 кГц
пьезоэлектрика корпуса
Частота последовательного резонанса при подключении Cs практически не меняется.
Классификация пьезорезонансных датчиков.
По типу основного эффекта, ответственного за модуляцию параметров пьезорезонатора различают:
пьезорезонансные датчики (ПРД)
На основе чувствительности к полям различной физической природы, то есть к механическим, тепловым, электромагнитным, оптическим:
а) ПРД на основе тензочувствительных пьезорезонансов, в которых измеряемое воздействие прямо или косвенно создаёт в пьезоэлементе механические деформации.
б) ПРД на основе термочувствительных пьезорезонансов, в этих датчиках измеряемый параметр прямо или косвенно воздействует на среднюю температуру пьезоэлемента.
в) ПРД на основе пьезорезонансов чувствительных к акустической нагрузке и комплексному сопротивлению, в этих устройствах измеряемый параметр моделирует излучение ультразвука с колеблющихся поверхностей пьезоэлемента.
г) ПРД на основе массово-чувствительных пьезорезонансов, использующих зависимость параметров пьезорезонанса от массы вещества, присоединённого к поверхности пьезоэлемента.
ПРД на основе чувствительности к изменению геометрии датчика, в котором эквивалентные параметры пьезорезонансов изменяются при взаимном смещении элементов конструкции.
ПРД на основе гирочувствительных пьезорезонансов в этих устройствах измеряемым воздействием является частота, например, частота вращения пьезовибратора вокруг оси перпендикулярно плоскости резонансных колебаний, работа гиропреобразователей основана на появлении во вращающемся и, одновременно, колеблющемся с резонансной частотой знакопеременных сил Кориолиса, примерной частотой вращения и изменяющих направление с частотой колебания. Силы Кориолиса порождают дополнительные деформации пьезоэлемента, преобразуемые через пьезоэффект в электрически измеряемое напряжение, с амплитудой, переменной частотой вращения и фазой, соответствующей направлению вращения.