первичного преобразователядля системы контроля вибрации технологического оборудования 2 / пункт3

2.3 Основные характеристики и виды пьезоэлектрических преобразователей

В настоящее время для измерений динамических процессов наиболее широко применяют пьезоэлектрические измерительные преобразователи, то есть преобразователи, в которых в качестве чувствительного элемента используют монокристаллические или поликристаллические материалы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами.

Область применения пьезоэлектрических датчиков непрерывно расширяется. Раньше их применяли только для измерения вибрации и удара в области высоких частот. Сейчас пьезоэлектрические датчики начали успешно исполь­зовать для измерения виброскорости и виброперемещения. Уже разрабо­таны схемы измерительных усилителей, позволяющих осуществлять изме­рения от единиц и десятых долей герца.

Успехи в смежной области приводят к качественным изменениям в под­ходе к разработке и использованию пьезоэлектрических датчиков. Так, разра­ботки полевых транзисторов модульных элементов, позволяющих умень­шить объем схемы согласующего усилителя, привели к созданию пре­образователей, совмещенных в одном корпусе с согласующим усилителем, так называемых пьезотронов.

Для пьезотронов не требуются дефицитные специальные антивибра­ционные кабели, они позволяют устанавливать датчики на любом расстоянии от измерительного прибора (в пределах нескольких сот метров). Однако их технические характеристики (например, динамический диапазон и тем­пература) ограничены возможностями деталей согласующего усилителя. Эти преобразователи перспективно использовать для эксплуатационного контроля вибрации машин с ограниченным динамическим диапазоном (до 200 м/с²) при температурах до 100°С.

Благодаря созданию пьезотронов и схем усилителей заряда изменился взгляд на возможности кварцевых датчиков, которые стали конкурентоспособ­ными с датчиками, имеющими керамический чувствительный элемент.

Используя усилители заряда, можно устранить влияние длины соеди­нительного кабеля на коэффициент преобразования датчика. Широкому при­менению пьезоэлектрических датчиков для измерения динамических процессов способствовало появление новых типов пьезоэлементов. Так, американская фирма «Эндевко», разработав высокотемпературные пьезоэлементы, создала высокотемпературные пьезоэлектрические датчики нескольких моделей, способ­ные работать при температурах до 760 ⁰С.

Основные преимущества пьезоэлектрических датчиков:

 простота конструкции;

 широкий диапазон рабочих частот;

 малая чувствительность к магнитным полям;

 большая вибрационная и ударная прочность;

 возможность создания высокотемпературных преобразователей;

 возможность создания преобразователей с малыми размерами и массой.

Основными недостатками пьезоэлектрических датчиков являются:

 наличие большого выходного сопротивления;

 зависимость выходного сигнала от длины кабеля (при работе с усилителем напряжения);

 невозможность измерения постоянной составляющей динамического процесса.

Основными техническими характеристиками пьезоэлектрических датчиков являются:

 коэффи­циент преобразования, мВс²/м;

 резонансная частота закрепленного преобразователя, кГц;

 относительный коэффициент поперечного преобразования, %;

 емкость, пф;

 диапазон рабочих температур, °С;

 динамический диапазон;

 предельное ускорение, м/с²;

 температурная погреш­ность, м/с²;

 акустическая чувствительность, м/с²;

 чувствительность к деформации, м/с²;

 чув­ствительность к переменному магнитному полю, м/с²;

 размеры, масса и тип крепления на объекте.

Конструктивные схемы основных типов пьезоэлектрических датчиков представлены на рисунке . Существует большое количество моделей пьезоэлектрических датчиков, кото­рые можно классифицировать по следующим признакам:

 по виду деформации пьезоэлемента (работающие на сжатие-растя­жение, сдвиг, изгиб);

 по способу закрепления пьезоэлемента (клееные, с предварительным поджатием, клеено-поджатые);

 по способу закрепления на объекте (прижимные, клеено-прижимные и приклеиваемые).

По принципу использования различают пьезоэлектрические датчики:

 обла­дающие высоким коэффициентом преобразования (больше 10 мВс²/м);

 вибро­ударопрочные (больше 10000 м/с²);

 высокочастотные (больше 10 кГц);

 высокотемпера­турные (больше 80°С);

 устойчивые к воздействию различных влияющих факто­ров (акустических шумов, механических деформаций, электрических и маг­нитных нолей, температуре, давлению, радиации и тому подобное);

 имеющие малый коэффициент поперечного преобразования;

 обладающие низкой доброт­ностью;

 совмещенные в одном корпусе с согласующим усилителем;

 оснащенные внутренним калибровочным устройством;

 предназначенные для эксплуатационного контроля;

 эталонные.

Совершенствование конструк­ций пьезоэлектрических датчиков направлено по пути улучшения их техниче­ских характеристик и создания более совершенных и надежных моделей.

Рисунок  Конструктивные схемы основных типов пьезоэлектрических измеритель­ных преобразователей ускорения:

a  клееный датчик;

б  клеено-поджатый;

в  с параллельно включенными пьеэоэлементами;

г  с последовательно включенными пьезоэлемеитами;

д  с использованием поперечного пьезоэффекта;

е  центрированные;

ж с пьезоэлементом, работающим на сдвиг;

з  схема тандем;

ик  с изгибным консольным элементом, подкрепленным и биморфным cоответ­ственно;

л  с изгибным грибообраэным чувствительным элементом

Большие значения коэффициента преобразования в пьезоэлектри­ческих датчиках в основном получаются четырьмя путями:

 увеличением инер­ционного элемента;

 уменьшением емкости пьезозлемента;

 использованием изгибных или сдвиговых деформаций пьезоэлемента;

 использованием пьезокерамики с большим значением пьезомодуля.

Следует помнить, что с увеличением коэффициента преобразования в большинстве случаев снижается резонансная частота датчика.

Вибрационную и ударную прочность датчиков можно повысить, применив клеено-поджатые чувствительные элементы и датчики, работающие на сдвиг; увеличив прочность сцепления инер­ционного элемента с пьеэокерамикой и последней с корпусом и повысив требования к материалам и качеству контактирующих поверхностей, выбрав диаметр и высоту инерционного элемента и величину поджатия послед­него.

Частотный диапазон пьезоэлектрических датчиков является одной из самых важных его технических характеристик. Нижняя граница диапазона рабо­чих частот датчиков определяется ее емкостью (вместе с соединительным кабелем) и входным сопротивлением используемого в комплекте с ним измерительного прибора. Поэтому для понижения границы частотного диапазона используют датчики с большой емкостью и измерительные при­боры с высоким входным сопротивлением. Как правило, большой емкостью (несколько тысяч пикофарад) и высоким коэффициента преобразования обладают пьезо­электрические датчики с чувствительным элементом, работающим на изгиб,

В последнее время для снижения нижней границы диапазона рабочих частот применяют усилитель зарядов.

Верхняя граница частотного диапазона f_В определяется значениями установочного резонанса (который всегда лежит ниже частоты собствен­ных колебаний) и затуханием датчиков.

Установочный резонанс повышается при увеличении площади и повы­шении качества контактных поверхностей между чувствительным элемен­том и корпусом, корпусом и объектом, размещении чувствительного элемента непосредственно в корпусе объекта, уменьшении массы корпуса. Увеличение контактной площади обеспечивается:

плотным резьбо­вым соединением акселерометра с объектом;

по­садкой акселерометра на конусную поверхность.

Для уменьшения массы корпуса используют материалы малой плотности типа: титана, дюралюминия.