1.5 Пьезорезонаторларды басқару әдістері

Резонатордың эквивалентті сызбасын талдауға қарағанда, жиілікті басқару жүзеге асырылады:

1) эквивалентті сенімділікке (C_K) әсер ету арқылы немесе тербелмелі жүйенің эквивалентті салмағы (L_K) арқылы немесе екі көрсетілген параметрді бір уақытта қолдану арқылы;

2) белсенді шығындардың түрі арқылы (R_K). өшірілген декрементін ұлғайту, теңдеуге сәйкес өзіндік тербелу жиілігін түсіретіні белгілі:

3) электродтар арасындағы сыйымдылық C₀ мәнін басқару арқылы немесе сыйымдылықты қатынас m=C_K/C₀ арқылы. C₀ түрімен тек қана параллельді резонанстар жиілігін басқаруға болатыны (1.4) және (1.5) айтылған.

Ең көп таралғаны бірінші көрсетілген әдіс болып келеді. Ол эквивалентті сенімділікке (C_K) немесе тербелу жүйесіне (L_K) негізделген.

ПРД-терні құру үшін әдетте, жоғарғы беріктіліктегі резонаторлар қолданылады, олардағы өшу декременті аз болғандықтан, тәжірибе жүзінде резонансты жиілікке әсер етпейді. Бұл жиілікті басқарудың екінші әдісі кең қолданыста болмағанын түсіндіреді.

Z комплексті кедергісін немесе ПР электрлі сенімділігін басқару жүзеге асырады:

1. тербелу жүйесінің белсенді шығын түрінің (R_K) белгіленген жиілікте жұмыс жасауын;

2. қоздырғыш кернеудің белгіленген жиілігі реактивті параметрлерге (сенімділік және салмақ) әсер етуін;

3. тербелу жүйесінің активті және реактивті параметрлеріне әсер етуін.

Фазаны басқару. Пьезорезонатордың фазалы-жиіліктік сипаттамасы оның амплитудалы-жиілікті сипаттамасына (АЖС) бір мәнді анықталады. Фазаны өзгерту – АЖС-сын өзгерту нәтижесі. Фазаны басқару негізінде жиілік түрін тудыратын эффекттер жатуы мүмкін, сондай-ақ ПР сенімділік түрін тудыратын эффекттер де жатады.

ПРД-терді құру арқылы резонатордың құрылымын құратын барлық элементтер параметрлерінің түріне негізделген басқару әдістерін таратып алдық.

Жиілікті ПРД-терде әсер ету қолданылады, негізінде вибраторға бағытталған және бетінде пленкасы бар. Бұл жағдайда тербелмелі жүйенің сенімділігін және салмағын басқару іске асырылады: негізінде сенімділік серпінділік қасиетімен және вибратор өлшемімен анықталады.

Амплитудалы ПРД-терде әсер ету, әдетте, екі жүйелі элементке бағытталады – резонаторды бекіту түйініне және қоршаған ортаға. Бұл элементтердің акустикалық қасиетінің модуляциясы резонанс бетінен өте жоғары дыбыстың сәулелену шарттарының өзгеруіне жетеді, сондықтан шығындарды басқару іске асырылады.

Кейбір жағдайда ПРД-тер үшінші жүйелі элементке әсер ету әдісі арқылы құрылады – оның акустикалық қасиеті мен сәулелену шығыны модуляциясының пленкамен байланысына.

1.6 ПРД-тердің топтастырылуы

Пьезорезонансты датчиктер, басқа түрдегі датчиктер сияқты датчиктің өлшеу қасиетіне байланысты топтастырылады (механикалық, жылулық, электромагниттік және т.б.).

Қандай да бір топтастырудың басты мақсаты – зат немесе құбылыс қатарындағы өзіне тәннің барлығын белгілеу. ПРД топтастыру өзіне ең басты мақсат етіп негізгі сипатталған өзіне тән жеке әртүрлі өлшеу түрлендіргіштерін қойды, олар ПРД тобына жатады. Осы бағыттағы ең қажетті, түрлендіруге жауапты, басты эффект (механизм) түрін топтастыру болып табылады, яғни пьезорезонанстар параметрлерін модуляциялау. Мұндай топтастыру бір ғана бағытта талдау жасауға, шаманы өлшеуге, өз қасиетіне байланысты әртүрлілігін қолдануға, бірақ түрлендірудің бір ғана физикалық механизмінде жұмыс істеуге көмектеседі. Бұл аспаптар түзілісі мен метрологиялық сипаттама бағасын жеңілдетеді.

Эффект немесе механизм түрі бойынша резонатор параметрлерінің модуляциясына жауапты барлық әртүрлі ПРД-тер келесі топтың біреуіне жатқызылуы мүмкін:

1. Сезімталдық негізіндегі ПРД-тер әртүрлі физикалық жаратылыс өрісіне жатады (механикалық, жылулық, электромагниттік, оптикалық және т.б.).

Келесі топтағы датчиктер олардың ішіндегі кеңінен таралғандары болып табылады:

Тензосезімталды пьезорезонаторлар негізіндегі ПРД-тер. Олар өлшенетін пьезоэлементте тура немесе жанама механикалық деформация әсерін тудырады. Параметрді түрлендіру пьезорезонатордың тензосезімталдығы арқылы іске асырылады.

Термосезімталды пьезорезонаторлар негізіндегі ПРД-тер. Бұл датчиктерде өлшенетін параметр тензоэлементтің орташа температурасына (немесе оны көлемі бойынша тарату) тура немесе жанама әсер етеді. Параметрді түрлендіру ПР термосезімталдығы арқылы жүзеге асырылады.

2. Аспаптың геометриялық түріне сезімталдығы негізіндегі ПРД-тер. Оларда резонатордың эквивалентті параметрі ПР түзілісіндегі элементтер жылжығанда ауысады, мысалы, электродпен вибратор арасындағы саңылау өзгергенде.

3. Гиросезімталды пьезотүрлендіргіштер негізіндегі ПРД-тер. Бұл құрылғыларда өлшенетін ықпал резонансты тербелу жазықтығына перпендикулярлы пьезорезонаторды білік айналысынан айналдыру жиілігі болып табылады. Гиротүрледіргіштердің жұмыс істеуі айналу жиілігіне және тербелу жиілігімен бағытты өзгертуге пропорционалды резонансты вибратор жиілігінің айналғанда және бір уақыт та тербелгенде пайда болған Кориолис күшіне негізделген. Кориолис күші пьезоэлементтің қосымша деформациясын тудырады. Олар айналу жиілігіне және фазаға пропорционалды пьезоэффект арқылы электрлік ауыспалы кернеуге түрленеді. Гиротүрлендіргіштер көпполюсті резонансты түрлендіргіштер сызбасы арқылы іске асырылады. Тербелу жылдамдығының векторы немесе пьезоэлементтегі деформация гиротүрлендіргіштің модельденген параметрі болып табылады. Бұл деформациялардың сипттамасы мен олардың амплитудасы өлшенетін бұрыштың жылдамдық функциясында түрленеді. Әсер ету принципіне байланысты гиропьезоэлектрлік, сонымен қоса, байланыс коэффициенттерін басқару элементтері қатарына да жатқызылуы мүмкін.

1.7 Төменгі жиіліктегі бүгілетін пьезорезонаторлардың тензосезімталдығы

Толық қозғалыстағы механикалық тербелуге қарағанда төменгі жиіліктегі бүгілетін тербеліс шекті және басқа да вибрациялы-жиілікті түрлендіргіштерде кеңінен қолданылады. Пьезокварц, белгіленіп өтілгендей, уақыттың тұрақсыздық қасиетінен тәжірибе жүзінде бос. Бұл түрлендірудің дәлдік жоғарылауын қамтамасыз ететін жолды іздеуге мақсатқа сай көмектеседі. Әртүрлі вибрационды-жиілікті датчиктерге қарағанда, пьезорезонансты датчиктер кейінірек қолданыла бастады. Шынында да, кей жағдайларды ПР-тер қолданылады және жақсы белгілі түзіліс. Бүгілу тербелісіндегі тензосезімталды пьезорезонаторлдардың басты түрлері 5-суретте көрсетілген. 5-суреттегі а,б резонаторларында күш салу тербелістен бос торапты нүктелер арқылы жүзеге асады. Ол пьезоэлемент шетінен 0,224 қашықтықта тұр. 5-суреттің в,д түрледіргіштерінде күш салу тік жүзеге асырылады.

Егер қоздырушы кернеу төрт электродқа жамалған боса, онда пьезэлемент деформациясы бүгілген болады. 5а-суретіндегі пьезорезонатор түзілісінің тербелісіне қарағанда, 5г-суретіндегі пьезорезонатор түзілісінде тербеліс аналогты.

Сурет 5 – Бүгілу тербелісіндегі тензосезімталды пьезореознаторлар:

а - биморфты пьезорезонатор; б - ұзындығы-ені бойынша бүгілу тербелісіндегі пьезорезонаторлар; в – ұзындығы-жуандығы бойынша бүгілу тербелісіндегі пластиналы пьезорезонаторлар; г – ұзындығы-жуандығы бойынша бүгілу тербелісіндегі пьезорезонаторлар модификациясы; д – екі қабатталған камертон негізіндегі түрлендіргіш.

Пластинаның бүгілуі 00 және 00торапты сызықтарына қатысты болады. Олар күшті байланыстыру үшін қолданылатын пластина шектерінің бос тербелісін резонатормен байланыстырады. 5в-суретіндегі сызбада пластинаны бекіту төсеулер арқылы іске асырылған. Резонансты тербелісте бекіту орындарында кесіп өтуші күштер мен кезеңдер пайда болады. Нәтижесінде, резонатордың беріктілігін бірнеше мыңға дейін төмендететін, тербеліс энергиясының едәуір бөлігінде кему пайда болады. Энергияның кемуін жоюға акустикалық фильтрлі-қақпақ қолданысы көмектеседі.

1.8 Өлшеу түрлендіргіштеріндегі пьезорезонаторлардың қосылу сызбасы

Өлшеу түрлендіргіштерінде басқарылған пьезорезонаторды қоздыру автотербеліс, қажетті тербеліс және бос тербеліс тәртібінде жүзеге асады.

ПР пьезорезонаторының автотербеліс тәртібінде (сурет 6,а) У күшейткіші бар жиілік беретін элемент жабық жүйе ретінде қолданылады. Сызбада автотебеліс тәртібі жиілікте қолданылады, ол ПР жұмысшы резонаторының жиілігіне жақын. Өлшенетін ықпал өз жиілігін немесе ПР шығынын ауыстырады, ол шығу автогенераторындағы жиілікке немесе амплитудалы өзгеріске әкеледі.

Қажетті тербеліс тәртібінде ПР қоздыру ГВ тәуелді емес (сурет 6,б) генераторымен жүзеге асырылады. ГВ генетаторының жұмыс жасау кезінде белгіленген f₀ жиілігіне ПР арқылы тоқ, амплитуда, генератор сигналының амплитудасы мен ПР қорытындысын анықтайтын фаза өтеді. Өлшенетін ықпал, ПР жиілігін өзгертіп және резонатор шығынын ауыстырып, сызбаның шығуында амплитудалық және фазалық кернеу өзгерісін шақырады. ПР амплитудалы-жиілікті сипаттамасы (қисық 1) мен жиілікті қайта құру (қисық 2) 6,в-суретінде келтірілген.

Қажетті тербеліс тәртібі қолданылатын келесі құрылғы түрінде УГВ қоздыруды басқарушы генератор жиілікте қайта құру арқылы орындалады (сурет 6,г). Жиілікті басқару БУ блогы арқылы жүзеге асады, ол өлшенетін ықпал көмегімен алынған бұзылуды автоматты түрде алып тастайды. Жөнге салу блогы өрістеруші түрлендіргіш принципі бойынша немесе бақылау жүйе принципі бойынша жұмыс жасайды, ал жанастыру ПР арқылы тоқтың амплитудасы немесе фазасы бойынша жүргізіледі. Жөнге салу орындалған сәтте өлшенетін ықпалмен байланысқан көрсеткіш бірмәнді ИУ (жиілікті, тоқты өлшеуіш және т.б.) өлшеу құрылғысына қосылады.

Сурет 6 - Өлшеу түрлендіргіштеріндегі пьезорезонаторлардың қосылу сызбасы

Бос тербеліс тәртібінде (6,д) ПР қайта құрушының параметрлерін өлшеу, резонатор К кілтімен У күшейткішінен өшірілгеннен кейін бірталай уақыт өткен соң жүргізіледі. У күшейткіші резонаторда резонансты тербелістер қоздырады; өлшеу сызбасы ПР бос тербелісінің жиілігін белгілейді немесе бұл тербелістердің ПР басқарудың жиілікке немесе беріктілікке тәуелді өшу жылдамдығын белгілейді.

Бос тербеліс тәртібі басқасымен салыстырғанда пьезорезонансты датчиктерде сирек қолданылады. Қажетті тербеліс тәртібінің қолданылу бөлігі шектелген.

Көпшілікке басым жағдайларда пьезорезонансты датчиктер автотербеліс тәртібі негізінде қолданылып, құрылады. ПРД-терді автогенератор сызбасы бойынша орындау шығу сигналына баратын басқарушы резонатор параметрлерінің жоғары дәлдік түрлендіруін өте оңай жүзеге асыруға көмектеседі.