4.3. Датчики вибрации Пьезоэлектрические преобразователи

В настоящее время для измерения динамических процессов, таких как импульсы давления, вибрации и т. п., наиболее широко применяются пьезоэлектрические преобразователи, действие которых основано на прямом пьезоэффекте в некоторых кристаллических материалах.

Раньше пьезоэлектрические преобразователи использовали только при измерении ускорений в высокочастотном диапазоне вибраций. Сейчас разработаны системы, позволяющие использовать подобные преобразователи для измерения виброскорости и виброперемещения при частотах вибрации от единиц и даже десятых долей герца.

К

Рис. 4. 8. Конструкция простейшего пьезоэлектрического преобразователя.

ак и большинство других датчиков вибрации пьезоэлектрические преобразователи построены по принципу сейсмических датчиков (рис. 4.8). Инерционный элемент (сейсмическая масса) прикреплен к верхней грани пьезоэлемента, нижняя грань которого крепится к корпусу. При установке преобразователя на исследуемом объекте преобразователь воспринимает вибрацию объекта. Вследствие стремления инерционного элемента сохранить состоянии покоя, пьезоэлемент деформируется от действия на него инерционной силыF = ma, гдеm– масса инерционного элемента,a– ускорение объекта. Так как деформация пьезоэлемента и возникающий при этом электрический заряд пропорциональны ускорению, то эти преобразователи часто называют пьезоакселерометрами¹.

О

Рис. 4. 9. Конструкция высокочувствительного акселерометра.

сновными достоинствами пьезоакселерометров являются широкий диапазон рабочих частот, малая чувствительность к магнитным полям, большая вибрационная и ударная прочность, возможность создания преобразователей с малыми размерами и массой. Для повышения ударной прочности применяют дополнительное поджатие инерционной массы к пьезоэлементу, как это сделано в акселерометрах типа 1ПА-6 и 1ПА-7.

Для повышения чувствительности преобразователей увеличивают инерционную массу, применяют пьезокерамику, обладающую высоким пьезомодулем, а также используют изгибные деформации пьезоэлемента (рис. 4.9). В качестве примера высокочувствительных акселерометрами, построенных с использованием принципа изгибных деформаций, можно привести отечественные акселерометры Д19, ИС-598 и ИС-598А.

Наряду с чувствительностью, одной из важнейших характеристик датчиков вибрации является частотный диапазон. Для снижения нижней границы частотного диапазона в качестве предварительных усилителей применяют усилители заряда, а увеличение верхней граничной частоты достигается снижением массы датчика и качественным креплением его к объекту (например, с помощью резьбового соединения). Для уменьшения массы корпуса акселерометра его изготавливают из материалов малой плотности типа титана и дюралюминия.

Табл. 4.6

Модель	Чувствительность мВ∙с2/м	fр, кГц	Предельное ускорение, м/с2	Масса, г	Габариты, мм
Отечественные
ИС-312	0,05 – 0,15	80	2000	22	-
1ПА-6	3,0 – 4,0	25	10 000	48	Ø20×30
1ПА-7	0,5	48	15 000	30	Ø20×24
Д-14	2,5	28	10 000	27	Ø16×29
Д-19	20	-	-	100	Ø42,5×43,5
«Брюль и Къер»
4349	0,6 – 1,2	40 – 50	20 000	18	-
4332	6	25	1000	30	Ø17×22
4335	2	35	2000	18	Ø14×20

Характеристики некоторых отечественных и зарубежных пьезоэлектрических преобразователей приводятся в таблице 4.6. Приведенная в таблице резонансная частота f_ру большинства датчиков связана с верхней границей частотного диапазонаf_в соотношением:

4.5