1.2 Пьезотүрлендіргіштерді қосудың сызбасы

Пьезотүрлендіргіш ЭҚК өндіретін генераторлы түрлендіргіш болып табылады. 3-ші суретте пьезотүрлендіргішті қосудың сызбасы көрсетілген. Өлшеу аспабы ретінде үлкен кіру кедергісі бар айнымалы тоқтың электронды вольтметрі қызмет атқарады. Олар өлшенетін шаманың бірлігіне градусталған.

Сурет 3 – Пьезотүрлендіргішті қосудың сызбасы

Күшейткішке қосылған пьезоэлектрлі түрлендіргішті түрлендірудің комплексті функциясы былай анықталады:

Тапсырудың комплексті коэффициенті тең:

мұндағы - тұрақты уақыт

Сызбаның сезімталдығы мына теңдеумен анықталады:

Бұл теңдеу 0 болғанда сезімталдықтың жиілікке тәуелді екенін көрсетеді:

=0, S=0 болғанда, түрлендіргіштер тұрақты статикалық кернеуді өлшеу үшін қолданылмайды.

Бұл теңдеу төменгі және орташа жиілік үшін әділ берілген.

Жоғары жиілікте резонансты эффект пайда болады, ол сезімталдықты ұлғайтуға әкеледі. Одан әрі ұлғаятын болса, сезімталдықтың жиілігі түседі.

1.3 Пьезоэлектрлі түрлендіргіштің қателіктері

1. Түрлендіргіштің жұмыс істейтін бөлігі астынан -  тұрақты уақытпен, үстінен – кристалл резонансымен шектелген. Сигналды күшейту үшін 10¹¹ Ом дейінгі мүмкіндігінше жоғарғы кедергідегі күшейткіштер қолданылады.

Өлшеуіш тізбектің экрандалуын жою үшін сыртқы электромагнитті өрістен қателік шақырылады.

2. Кабель параметрлерінің тұрақты болмауы, әсіресе бұрылыс орындарында. Қателікті төмендету үшін спиральды тербелуге қарсы кабельдер қолданылады.

3. Ылғалдың әсер етуі немесе температураның шұғыл өзгеруі.

Жасанды пьезокристалдардың аяқталмауы сипаттаманың гистерезисі мен сызықсыздығын қамтамасыз етеді.

Пьезоэлектрлі түрлендіргіштерді эксплуатациялаған кезде кабельді эффектті міндетті түрде ескеру керек. Ол пьезоэлектрлі түрлендіргіштерді тербелу шартында қолдануды қиындатады. Олардан кабель бөлігінде электростатикалық зарядтар пайда болады. Ол зарядтар кристалл шегіндегі зарядтармен әрекеттеседі және өлшеу нәтижесін бұрмалайды. Кейбір жағдайда кабель кернеуі негізгі сигналдан (60 80 Гц жиілікте) көп болуы мүмкін екенін бақылап көрсетеді. Сондықтан арнайы тербелуге қарсы кабельдер шығарылады (АВК түріндегі).

Күш (10000 Н дейін), қысым(100Н/мм² дейін) және жылдамдық (1000 g дейін) уақытындағы айнымалыны өлшеу үшін т 0,5 Гц-тен 100 кГц-ке дейінгі диапазондағы пьезоэлектрлі түрлендіргіштер қолданылады.

Бұл түрлендіргіштердің басты қасиеттері: түзілісінің қарапайымдылығы; аз габариттер; жоғарғы сенімділік; шапшаң өзгеретін процесстегі параметрлерді өлшеу мүмкіндігі. Осымен қатар олардың кемшіліктері де бар: статикалық шамаларды өлшеуге мүмкіндігі жоқ; градустауға қиын; пьезоэлемент бөліктерінің ұқыпты қажеттілігі және ылғалдан әсер етуші кіру электр тізбегі элементтерінің қажеттілігі; гистерезис пен сызықсыздықтың бар болуы (d₁₁ пьезомодулінің күштен және қысымнан тәуелді болуы).

1.4 Пьезоэлектрлі резонатордың эквивалентті сызбасы

Пьезоэлектрлі резонатор (ПР) – электромеханика түріндегі түрлендіргіштердің әртүрлілігі. Пьезорезонатор негізі – элемент түрінде әдетте дұрыс формада орындалатын кристалды немесе жартылай кристалды пьезоэлектрлі материалдан жасалған механикалық вибратор (тікбұрышты пластина, диск өзегі және т.б.). Вибраторға (пьезоэлементтің) өзіндегі механикалық тербелуді қоздыру үшін қолданылатын екі немесе одан да көп электродтар жүйесі түсіріледі. ПР-ды электр энергиясы көзімен байланыстыру үшін тоқ жеткізумен жабдықталады, ал белгілеу үшін бекітілген элементтермен жабдықталады. Пьезоэлектрлі резонатор жұмысының негізінде пьезоэффект жатыр. Ол вибратор денесіндегі механикалық кернеуді электродтарға жіберетін кіру электр кернеуін түрлендірумен қамтамасыз етеді (қайтымды пьезоэффект) және механикалық кернеу әсер еткенде вибратордың түр өзгерту нәтижесін тудыратын электродтарға заряд түрінде шығу жауапты реакциясымен қамтамасыз етеді (тура пьезоэффект). Пьезоэлектрлі түрлендіргіштердің қайтымдылығы механикалық тербелудің электр қоздыру жүйесі мен олардың амплитудасына пропорционалды электр сигналын байланыстырытын екі полюсті элемент түрінде орындауға көмектеседі.

Жұмыста қарастырылатын, өлшеу түрлендіргіштерінің әсер ету принципіне қарағанда, пьезорезонатордың электрлі амплитудалы-жиілікті сипаттамадағы (АЖС) резонансты бөлігі – оның жиілікті спектрінің ең белгілі бөлігі.

Пьезорезонатордың АЖС-сын және оның резонансты бөлігіндегі эквивалентті сызбасын анықтау үшін жан-жақты У. Мэзон әдісін қолданамыз. Бұл әдісті электро-механикалық түрлендіргіштерді қандай да бір түріне қолдануға болады, сонымен қоса пьезоэлектрлі резонансты құрылғыларға қолдануға болады. Әдіске сәйкес, түрлендіргіштің эквивалентті сызбасын құру үшін вибратордың қозғалыс теңдеуін және пьезоэффект теңдеуін міндетті түрде құру керек. Егер резонатордың екі белсенді шектесу шартына берілетін болсақ, онда түрлендіргіштің электрлік және механикалық процесін суреттейтін интегралдаудан кейін үш теңдеулі жүйе алуға болады. Осы теңдеу негізінде бір өлшемді жақындықта бір жұпты электрлі және екі жұпты механикалы қысымдары бар және түрлендіргіштің электрлі және механикалы тізбектерін байланыстыратын «асқан» электромеханикалы трансформаторы бар түрлендіргіштің эквивалетті сызбасы құрылады.

Келесі кезең «аралас» эквивалентті сызбаға ауысудан басталады. Мұнда бір жағындағы процесс электр тоғымен, кернеумен және кедергімен сипатталады, ал басқасы – механикалық күшпен және тербелу жылдамдығымен сипатталады. Физика мәніне тәуелді емес барлық элементтер кедергі мағынасы (активті және реактивті).

Сурет 4 – Түрлендіргіштің эквиваленті сызбасы:

r-серпінді толқындарды өрістету жылдамдығы; l-резонансты өлшем

Ұқсастық әдісін қолдану нәтижесінде тек қана екі жұмысшы беті жүктелген пьезотүрлендіргіштің қандай да бір түрі екі түрдің біреуінің ғана эквиваленті сызбасын суреттей алады. Олар өз ішінде бір ғана статикалық сыйымдылық - С₀ элементімен ажыратылады (сурет 4).Қысқартылған сыйымдылық - С₀ сызбасы түрлендіргіштер үшін әділ құрылған. Онда серпінді толқында қоздырғыш электр өрісіне қарағанда перпендикулярлы таратылады. Асқан электромеханикалық трансформатор N коэффициентімен сипатталады. Ол қоздырылған ішкі электрлі кернеуге статикалылқ сыртқы күш қатысы сияқты анықталған. Трансформатордың N коэффициенті түрлендігіш түзілісіне, тербелу түріне тәуелді және серпімдермен, пьезоэлементтермен және материалдардың диэлектрлі қасиетімен сипатталады.