2.3.3 Ээсз пьезоэлектрического преобразователя генераторного типа
Без учета механических параметров пьезоэлемента его ЭЭСЗ может быть представлена в упрощенном виде.
Рис. 2.4 ЭЭСЗ пьезоэлемента.
Для описания принципа работы пьезоэлектрического преобразователя генераторного типа можно получить следующие основные соотношения:
(2.11)
,
(2.12)
,
(2.13)
.
(2.14)
Рис. 2.5 Зависимость напряжения, генерируемого пьезоэлементом от частоты внешенего силового воздействия.
При высокочастотном
воздействии на пьезоэлемент (
)
уровень электрического напряжения на
его обкладках практически не зависит
от частоты и сопротивления активных
потерь, а зависит только от величины
воздействия и электрической емкости
пьезоэлемента:
,
.
(2.15)
При этом
эквивалентная электрическая схема
замещения пьезоэлемента представляет
собой конденсатор и источник заряда.
Выходной сигнал такого преобразователя
не зависит от частоты, но сильно зависит
от ёмкости проводов линий. При изменении
длины кабеля изменяется выходной сигнал
датчика. С целью снижения влияния данного
фактора к пьезоэлементу подключают
дополнительную ёмкость
>>
).
При
низкочастотных воздействиях (
):
,
(2.16)
выходной сигнал преобразователя пропорционален частоте, амплитуде воздействия. Но при этом выходной сигнал такого преобразователя зависит также от значения сопротивления утечки по поверхности пьезоэлемента, сопротивления изоляции проводов и других элементов измерительной схемы.
2.3.4 Физические основы работы пьезорезонансных измерительных преобразователей
Принцип работы пьезорезонансных датчиков (ПРД) основан на реализации функциональной зависимости параметров колебательной системы пьезоэлемента, возбуждаемого на частоте в окрестностях его механического резонанса.
Рис. 2.6 Схема включения ПРД и его схема замещения.
ЭЭЗС такого преобразователя содержит дополнительные элементы, характеризующие параметры его механической колебательной системы.
Рис. 2.7 ЭЭСЗ ПРД.
,
,
,
,
(2.17)
где: Q – добротность пьезорезонатора.
Аномалии АЧХ пьезорезонатора обусловлены наличием резонансной частоты колебаний (резонанс скоростей):
,
(2.18)
а также антирезонансной частоты (резонанс механических напряжений в теле пьезоэлемента):
.
(2.19)
Управляя
эквивалентной ёмкостью пьезорезонансного
преобразователя (
)
можно обеспечить его термо – или
тензочувствительность. Можно также
управлять акусто- или массчувствительностью
такого преобразователя.
Использование дополнительных обкладок на поверхности пьезоэлемента значительно расширяет их функциональные и эксплуатационные возможности. Например, на основе пьезорезонаторов с системами дополнительных обкладок на их поверхности создают пьезоэлектрические трансформаторы тока и напряжения, позволяющих производить усиление сигнала по напряжению и току в тысячи раз, создавать высокочувствительные измерительных преобразователей на их основе.
Рис. 2.8 ЭЭСЗ пьезотрансформаторного измерительного преобразователя.
Выходное напряжение такого преобразователя зависит от величины добротности его колебательной системы:
(2.20)
Путем демпфирования резонанса электрическим способом, например, за счет использования дополнительных отрицательных обратных связей удается существенно расширить частотный диапазон датчиков генераторного типа, линеаризовать их рабочие характеристики.
В настоящее время пьезотехника продолжает достаточно интенсивно развиваться, расширяются возможности контрольно-измерительных и технологических устройств на их основе, область их практического применения. При этом приходится решать ряд достаточно трудных задач.
Например, при создании пьезорезонансных измерительных устройств существует проблема акустической развязки колебательной системы преобразователя с элементами конструкции датчика. Для ее решения разрабатывают специальные конструкции первичных измерительных преобразователей, используют принцип локализации колебательной энергии резонатора в его подэлектродной области и т.п.
К достоинствам пьезорезонансных датчиков (ПРД) можно отнести высокую чувствительность, быстродействие, широкий набор модулируемых параметров. Первые попытки создания ПРД предпринимались еще в 40-х годах, но широкое применение в технике нашли только в 60-х годах. Техника ПРД постоянно совершенствуется. В последние годы были разработаны новые типы пьезоэлектрических датчиков, например, на поверхностных акустических волнах (ПАВ-датчики).
Представляет также интерес создание измерительных устройств, основанных на использовании связанных колебаний в сложных конструкциях составных пьезорезонаторов. Достоинствами устройств данного типа являются повышенная чувствительность к измеряемым параметрам и, в тоже время, и возможность использования их в тяжелых условиях эксплуатации.