литература / Sharapov_V._Datchiki
.pdf
Глава 9. Пьезоэлектрические датчики
|
симость выходного напряжения пьезот- |
|
|
рансформатора от усилия для преобразо- |
|
|
вателя без концентратора (кривая 1) и для |
|
|
преобразователя по рис. 9.21 (кривая 2). |
|
|
Как видно из рис. 9.22, применение кон- |
|
|
центратора позволило на порядок увели- |
|
|
чить чувствительность датчика. |
|
|
Преобразователи на акустически свя- |
|
Рис. 9.22. Статические характери- |
занных резонаторах |
|
В преобразователях на акустически свя- |
||
стики пьезопреобразователя: 1 — |
||
без концентратора; 2 — с концент- |
занных резонаторах [12] используются коле- |
|
ратором |
бательные системы из двух резонаторов или |
|
|
пьезотрансформаторов, акустическая связь |
|
|
между которыми осуществляется через газо- |
|
|
вый промежуток. Подобный преобразова- |
|
|
тель может рассматриваться как трансфор- |
|
|
матор, в котором коэффициент трансфор- |
|
|
мации зависит от значения акустической |
|
|
связи. Последняя при заданных геометрии |
|
|
излучателя и приемника и виде их колеба- |
|
|
ний определяется расстоянием между ними |
|
|
и акустическим сопротивлением газа Zг. Это |
|
|
сопротивление состоит из активной состав- |
|
|
ляющей Ra, характеризующей потери акус- |
|
|
тической энергии резонатора на излучении |
|
Рис. 9.23. Схема включения преоб- |
в среду, и реактивной Xa, которая определя- |
|
разователя давления газа на акусти- |
ется диссипацией энергии в среде за счет |
|
чески связанных резонаторах: 1 — |
вязкого трения. |
|
металлическая пластина; 2 — пьезо- |
||
Для бинарных газовых смесей при Р = |
||
элемент; 3 — корпус; 4 — генератор |
||
= const на этом принципе могут быть по- |
||
|
||
|
строены газоанализаторы. |
|
|
Излучатель и приемник могут выпол- |
|
|
няться как монолитными (кристаллы, пье- |
|
|
зокерамика), так и составными. Вариант |
|
|
выполнения датчика и зависимость выход- |
|
|
ного напряжения от давления показаны на |
|
|
рис. 9.23 и 9.24 [12]. Каждый из биморф- |
|
|
ных резонаторов содержит металлическую |
|
|
пластину 1 и пьезоэлемент 2 из ниобата |
|
|
лития. Зависимость выходного напряже- |
|
|
ния такого преобразователя от давления |
|
|
линейна в большом диапазоне, начиная от |
|
Рис. 9.24. Рабочая характеристика |
вакуума (10 Па) до десятков кПа. |
|
преобразователя давления газа на |
Недостатком этого датчика является |
|
акустически связанных резонаторах |
то, что он может работать только в чис- |
|
|
той, стабильной по составу атмосфере. |
9.11.Датчики на основе доменно-диссипативных пьезотрансформаторов
Вдатчике, описанном в [19], для повышения чувствительности используется один излучающий резонатор 2 и два приемных 1, 3, соединенных последовательно. Электрическое напряжение генератора 4 возбуждает колебания в резонаторе 2, которые передаются через газ к резонаторам 1 и 3 и вызывают в них колебания на частоте возбуждения. В результате колебаний последних возникают связанные с величиной давления газа электрические сигналы, которые поступают на индикатор давления в одной фазе и частоте.
9.11.Датчики на основе доменно-диссипативных пьезотрансформаторов
Как отмечалось в разд. 9.7, доменно-диссипативными называют пьезодатчики, у которых вектор поляризации расположен под углом (0 < < 90°) к вектору электрического поля выходного сигнала [19]. Применение доменнодиссипативных датчиков позволяет расширить рабочий частотный диапазон. Не менее интересные результаты могут быть получены для биморфных пьезотрансформаторов, а также датчиков на их основе [21].
Повышение чувствительности пьезоэлектрических датчиков
Повышение чувствительности пьезоэлектрических датчиков, в частности, биморфных, в ряде случаев является актуальным, так как позволяет увеличить дальность обнаружения подводных и надводных объектов, увеличить диапазон измерения пьезоэлектрических дальномеров и т.д.
Обычно для повышения чувствительности датчиков применяется пьезокерамика с большим пьезомодулем. Кроме того, повышения чувствительности биморфных пьезодатчиков можно добиться оптимизацией размеров (толщин, диаметров) пьезоэлементов и металлических пластин, однако это, по существу, связано с заменой одного пьезоэлемента на другой — с другими размерами, из другой пьезокерамики, а также с заменой одной металлической пластины на другую — из другого материала с другими физико-механическими характеристиками и т.д.
В данном разделе рассмотрим возможность повышения чувствительности датчика путем изменения схемы подключения датчика.
Для реализации этой цели используем простые и вполне очевидные закономерности.
Как известно, чувствительность любого датчика может быть определена по формуле:
S |
dy |
, |
(9.15) |
|
|||
|
dx |
|
|
где х — входная величина; у — выходная величина.
Для пьезоэлектрических датчиков чувствительность по заряду можно определить по формуле:
S Q |
|
dQ |
, |
(9.16) |
|
||||
|
|
dPзв |
|
|
где Q — заряд, образующийся на электродах пьезоэлелемента; Рзв — звуковое давление.
Глава 9. Пьезоэлектрические датчики
Чувствительность по напряжению:
S u |
dU |
, |
(9.17) |
|
|||
|
dPзв |
|
|
где U — напряжение на пьезоэлементе. |
|
||
Заряд на пьезоэлементе можно определить по формуле: |
|
||
Q dij F dij Pзв S, |
(9.18) |
||
где dij — пьезомодуль; F — сила, действующая на пьезоэлемент; S — площадь пьезоэлемента, на которую воздействует давление Рзв.
Следует отметить, что величина заряда на электродах при прочих равных условиях пропорциональна площади этих электродов. При неравенстве площадей электродов на поверхности пьезоэлемента в расчет принимается меньшая площадь.
Емкость пьезоэлемента пропорциональна площади Sэл электродов и определяется по известной формуле:
Cпэ |
|
0 r S эл |
, |
(9.19) |
|
||||
|
|
|
|
|
где 0 — диэлектрическая проницаемость вакуума; 0 = 8,85 10-12, Ф/м; r — относительная диэлектрическая проницаемость; — расстояние между электродами.
Напряжение на пьезоэлементе
U пэ |
|
Q |
. |
(9.20) |
|
||||
|
|
Спэ |
|
|
Отсюда следует, что, так как и заряд, и емкость пьезоэлемента пропорциональны площади электродов, то напряжение на пьезоэлементе от площади электродов не зависит.
Рассмотрим теперь конструкцию дискового пьезоэлемента, у которого электроды разделены на две части (рис. 9.25).
Рис. 9.25. Пьезоэлемент с разделенными электродами: 1—4 — электроды; 5 — пьезоэлемент
В этом случае электрод на каждой торцевой поверхности пьезоэлемента разделен на две равные части (1-3 и 2-4). Емкости между частями электродов
1-2 и 3-4 равны, т.е. С1-2 = С3-4.
Увеличить напряжение на пьезоэлементе (а следовательно, увеличить чувствительность по напряжению) можно, если уменьшить емкость между электродами пьезоэлемента.
9.11. Датчики на основе доменно-диссипативных пьезотрансформаторов
Это требование для конструкции датчика, изображенного на рис. 9.25, можно реализовать, если в качестве сигнальных (выходных) электродов использовать электроды 1-4 или 2-3.
Результаты измерений емкости и выходного напряжения на частоте 200 Гц и звуковом давлении 114дБ (10Па) для биморфного пьезоэлемента, изготовленного из пьезоэлемента из пьезокерамики ЦТС-19 диаметром 30 и толщиной 0,8 мм и металлической пластины диаметром 36 мм из полутвердой латуни Л63, приведены в табл. 9.4.
Как следует из табл. 9.5, чувствительность (по напряжению) в данном случае повышена более чем в 10 раз.
Таблица 9.4
Пьезоэлемент |
|
|
Емкость между электродами, нФ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 2 |
3 4 |
1 4 |
2 3 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
Ν30 Ї 0,8 мм |
|
4, 2 |
4, 2 |
0,392 |
0,393 |
|
|
|
|
|
|
Таблица 9.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пьезоэлемент |
|
|
Напряжение на электродах, мВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 2 |
3 4 |
1 4 |
2 3 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
Ν30 Ї 0,8 мм |
|
22 |
22 |
235 |
233 |
Любопытно отметить, что, казалось бы, простейшее изменение схемы подключения электродов пьезоэлемента приводит также к существенному изменению динамических характеристик датчика. Так, на рис. 9.26 показаны переходные характеристики датчиков при воздействии на них электрического напряжения в форме меандра (рис. 9.26, а). Для традиционного датчика переходный процесс соответствует колебательному звену (рис. 9.26, б), а для предлагаемой схемы датчик обладает свойствами дифференцирующего звена [28].
а) |
б) |
в) |
Рис. 9.26. Переходные характеристики пьезодатчиков при воздействии на них электрического напряжения в форме меандра (а); традиционная схема (б) и схема доменно-диссипативного датчика (в)
Глава 9. Пьезоэлектрические датчики
Датчики на основе доменно-диссипативных пьезотрансформаторов
На основе доменно-диссипативных пьезотрансформаторов могут быть построены датчики механических величин [25, 28]. Три варианта таких пьезодатчиков изображены на рис. 9.27 [21].
а) |
б) |
в)
Рис. 9.27. Схемы доменно-диссипативных пьезодатчиков: а — с интегрированием сигнала; б — с дифференцированием сигнала; в — с тремя выходами
Следует также отметить, что доменно-диссипативные пьезотрансформаторы могут быть использованы для построения датчиков механических величин с пьезоэлементами в схемах электрических фильтров
Информацию о серийно выпускаемых пьезоэлектрических датчиках можно найти на сайтах разработчиков датчиков, предприятий-изготовителей и торговых организаций [25—36].
9.12. Электроакустические преобразователи
Электроакустические преобразователи (ЭАП) предназначены для преобразования электрического напряжения в акустический сигнал. ЭАП могут работать в газовой среде [19, 22], в воде (гидроакустические преобразователи, см. гл. 14), а также для использования акустического сигнала в твердой среде (преобразователи для неразрушающего контроля, см. гл. 15).
Электроакустические преобразователи (излучатели) работают, как правило, в комплекте с приемниками акустического сигнала (датчиками), в качестве которых могут использоваться те же излучатели, работающие в режиме датчика, или отдельный датчик.
9.12. Электроакустические преобразователи
ЭАП могут быть построены на различных физических принципах. Известны механические, электродинамические, магнитострикционные,
электростатические, пьезоэлектрические ЭАП [4, 5, 7, 14, 19]. В табл. 9.6 показаны характеристики измерителей расстояний с различными типами ЭАП ультразвукового диапазона [19].
Таблица 9.6. Технические характеристики измерителей расстояний
Тип электроакустического |
Рабочий диапазон |
Диапазон измеряе |
преобразователя (газовые среды) |
частот, кГц |
мых расстояний, м |
|
|
|
Электродинамические |
5—15 |
до 30 (50) |
Магнитострикционные — с трансформацией вида |
16—30 |
до 70 |
колебаний |
|
|
Магнитострикционные — на продольных колебаниях |
16—30 |
до 30 |
Электростатические |
16—30 |
до 10 |
Пьезокерамические — с трансформацией вида коле- |
16—60 |
до 30 |
баний |
|
|
Пьезокерамические — на продольных колебаниях |
20—60 |
до 30 |
Пьезокерамические — на изгибных колебаниях |
40—60 |
до 70 (100) |
|
|
|
В скобках указаны измеряемые расстояния при идеализированных условиях работы измерителей, например, при гладких отражающих поверхностях.
Из табл. 9.6 видно, что наибольший диапазон измеряемых расстояний имеют пьезокерамические преобразователи, работающие на изгибных колебаниях.
Применение изгибных колебаний в ЭАП является наиболее эффективным, поскольку акустический импеданс у преобразователей в этом случае значительно меньше, чем при других видах колебаний. Такие преобразователи отличаются сравнительно высоким коэффициентом электроакустической трансформации и позволяют получить сравнительно большие амплитуды смещений.
Изгибные колебания можно достаточно просто возбудить в асимметричных биморфных пьезокерамических преобразователях (см. разд. 9.9). Некоторые ЭАП (зуммеры, пьезозвонки) показаны на рис. 9.28.
ЭАП подключают к генератору электрических колебаний или включают в схему автогенератора. Они предназначены для использования в качестве телефонов, зуммеров, сирен, излучателей звука для измерителей расстояний и т.п.
Преобразователь ЗП-1 имеет два биморфных элемента, закрепленных между собой пайкой, и предназначен для повышения уровня звукового давления, а также используется в автогенераторных схемах.
Такая конструкция обладает невысоким для двух биморфных элементов уровнем создаваемого звукового давления.
В преобразователе ЗП-19 биморфный элемент жестко закреплен в пластмассовом корпусе, представляющем собой резонатор Гельмгольца. Эквивалентная
Глава 9. Пьезоэлектрические датчики
а) |
б) |
в) |
г) |
Рис. 9.28. Конструкция электроакустических преобразователей (зуммеров, пьезозвонков): а — ЗП-1; б — ЗП-2; в — ЗП-19; г — СВ 35ВВК (Taiyo Yuden Co, LTD); 1 — пьезоэлемент; 2 — мембрана; 3 — уступ; 4 — корпус; 5, 6 — электроды
Рис. 9.29. Эквивалентная электрическая схема преобразователя ЗП-19
Литература
электрическая схема преобразователя, полученная методом электромеханических аналогий, показана на рис. 9.29.
Важными характеристиками ЭАП являются уровень создаваемого звукового давления, рабочая (резонансная) частота, полоса пропускания преобразователя, диаграмма направленности.
Методы повышения уровня звукового давления, снижения рабочей частоты, расширения полосы пропускания ЭАП описаны в [19, 22].
1.Глозман И.А. Пьезокерамика. — М.: Энергия, 1972 — 288 с.
2.Грибовский П.О. Керамические твердые схемы. — М.: Энергия, 1971. — 448 с.
3.Джагупов Р.Г., Ерофеев А.А. Пьезоэлектронные устройства вычислительной техники, систем контроля и управления. — Спб.: Политехника, 1994. — 608 с.
4.Домаркас В.И., Кажис Р.-Й.Ю. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи. — Вильнюс: Минтис, 1975. — 258 с.
5.Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. — М.: Машиностроение, 1981. — 240 с.
6.Кварцевые резонаторы: Справочник / Под ред. П.Е. Кандыбы и П.Г. Позднякова. — М.: Радио и связь, 1989.
7.Королев М.В., Карнельсон А.Е. Широкополосные ультразвуковые пьезопреобразователи. — М.: Машиностроение, 1982. — 157 с.
8.Кэди У. Пьезоэлектричество и его практические применения. — М.: Изд. Иностр. лит., 1949.
9.Лавриненко В.В. Пьезоэлектрические трансформаторы. — М.: Энергия, 1975. — 112 с.
Литература 207
10.Магнитные и диэлектрические приборы/ Под. ред. Г. Катца. — М.: Энергия, 1964. — 416 с.
11.Макаров И.М., Менский Б.М. Линейные автоматические системы (элементы теории, методы расчета и справочный материал). — М.: Машиностроение, 1977. — 464 с.
12.Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 272 с.
13.Островский Л.А. Основы общей теории электроизмерительных устройств. — М.-Л.: Энергия, 1965. — 532 с.
14.Пьезокерамические преобразователи: Справочник / Под ред. С.И. Пугачева. — Л.: Судостроение, 1984. — 256 с.
15.Трофимов А.И. Пьезоэлектрические преобразователи статических нагрузок. — М.: Машиностроение, 1977. — 64 с.
16.Фрайден Дж. Современные датчики: Справочник. — М.: Техносфера, 2005. — 592 с.
17.Харкевич А. А. Теория преобразователей. — М.; Л.: Госэнергоиздат, 1948. — 188 с.
18.Sharapov V. Piezoceramic sensors. — Springer Verlag, 2011. — 498 p.
19.Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики. — Москва: Техносфера, 2006. — 632 с.
21.В.М. Шарапов, И.Г. Минаев, Ж.В. Сотула, К.В. Базило, Л.Г. Куницкая. Пьезокерамические трансформаторы и датчики / Под ред. В.М. Шарапова. — Черкассы: Вертикаль, 2010. — 278 с.
22.Шарапов В.М., Сотула Ж.В. Пьезокерамические электроакустические преобразователи. — Черкассы, 2012. — 280 с.
23.Шульга Н.А., Болкисев А.М. Колебания пьезоэлектрических тел. — Киев: Наукова думка, 1990. — 228 с.
24.Шульга Н.А., Шарапов В.М., Рудницкий С.И. Колебания дискового биморфного преобразователя типа металл—пьезокерамика // Прикладная механика. — Т. 26. — 1990. — № 10.
25.www.elpapiezo.ru.
26.www.avrora.vlink.ru.
27.www.kisler.com
28.www.bkvibro.com
29.www.eurosensor.gliwice.pl
30.www.morgantechnicalceramics.com
31.www.sktbelpa.ru
32.www.akhtuba.vistcom.ru
33.www.sensorica.ru
34.www.niifi.sura.ru
35.www.priboy.ru
36.www.pgpribor.ru
ГЛАВА 10
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
10.1. Основные разновидности
Внастоящей главе рассмотрены преобразователи физических величин, объединенные общим названием электромагнитные, т.е. преборазователи, в основу принципа действия которых положены электромагнитные явления. Это:
1.Индуктивные и взаимоиндуктивные, принцип действия которых основан на использовании зависимости электрических параметров преобразователя от значений комплексного магнитного сопротивления магнитной цепи, которое, в свою очередь, является функцией длины воздушного зазора в магнитной цепи.
2.Индукционные, основанные на законе электромагнитной индукции.
3.Магнитоупругие и магнитоанизотропные, основанные на зависимости магнитных свойств ферромагнетика от деформации.
4.Гальваномагнитные, основанные на использовании гальваномагнитных эффектов Холла и Гаусса, а также магнитодиоды и магнитотранзисторы.
Классификация электромагнитных преобразователей приведена на рис. 10.1.
Рис. 10.1. Классификация электромагнитных преобразователей и датчиков магнитных полей
10.2. Индуктивные преобразователи
10.2. Индуктивные преобразователи
Индуктивные преобразователи — это преобразователи, в основу принципа действия которых заложена зависимость индуктивности (а следовательно и полного электрического сопротивления) намагничивающей обмотки от значения комплексного магнитного сопротивления магнитной цепи преобразователя, который, в свою очередь, является функцией длины воздушного промежутка в магнитной цепи преобразователя [3, 10].
Индуктивные преобразователи широко применяются для преобразования перемещений и других механических величин, которые предварительно преобразуются в перемещение. По конструктивному выполнению эти преобразователи очень разнообразны. Основными их разновидностями являются преобразователи с переменной длиной воздушного промежутка, преобразователи с сердечником (плунжером), преобразователи с зубчатым воздушным промежутком и преобразователи с распределенными параметрами.
Преобразователь с переменной длиной воздушного промежутка. Самой простой разновидностью индуктивного преобразователя такого типа является преобразователь малых перемещений (рис. 10.2). Этот преобразователь имеет высокую чувствительность к входной величине, незначительную чувствительность к действию внешних магнитных полей, сравнительно небольшую собственную емкость (необходимое значение индуктивности достигается, если количество витков сравнительно небольшое).
а) |
б) |
в) |
Рис. 10.2. Структура индуктивного преобразователя и его функция преобразования
Информативным выходным параметром индуктивного преобразователя является полное электрическое сопротивление Z намагничивающей цепи, или эквивалентная индуктивность этой цепи, значение которой является функцией комплексного магнитного сопротивления Zм магнитной цепи преобразователя. В качестве материалов магнитопроводов чаще всего используются электротехнические стали, пермаллои, а для частот свыше 1000 кГц — ферритовые сердечники.
При небольших относительных изменениях , учитывая, что магнитное сопротивление магнитопровода значительно меньше магнитного сопротивле-