§ 7.2. Устройство пьезодатчиков

Пьезоэлектрические датчики применяются для измерения давления, силы, ускорения. На рис. 7.2 показано устройство пьезоэлектриче­ского датчика давления с двумя кварцевыми пластинами. Измеряе­мое давление действует на мембрану /, представляющую собой дно корпуса датчика. Кварцевые пластины 2 зажаты между металличе­скими прокладками 3. Средняя прокладка 3 соединена с выводом 4, проходящим через экранированную втулку 5 из изоляционного ма­териала. Крышка 6 соединяется с корпусом и через шарик 7 переда­ет давление пластинам, благодаря чему измеряемое давление рас­пределяется по поверхности кварцевых пластин более равномерно. Кварцевые пластины обычно расположены таким образом^ что в из­мерительную схему подается отрицательный потенциал. Положите­льный потенциал подается на корпус датчика. Для уменьшения утечки зарядов необходима очень качественная изоляция. С этой же

целью поверхность кварцевых пластин тщательно полируют. Использование двух (а иногда и больше) пластин по­вышает выходную ЭДС, поскольку выходные сигналы Пластин складыва­ются.

На рис. 7.3 показан пьезоэлектри­ческий датчик ускорения, используе­мый в виброизмерительной аппарату­ре. Пьезоэлемент / из титаната бария расположен в корпусе прибора 2 меж­ду инерционной массой 3 и подпят­ником 4. Для увеличения силы, дей-

ствующей на пьезоэлемент при ускоре­ниях, инерционная масса имеет относительно большие размеры и изго­товлена из вольфрама. Пакет из инер­ционной массы 3, пьезоэлемента 1 и подпятника 4 прижат к основанию кор­пуса гайкой 5 через сферическую пяту 6, изоляционную прокладку, пружин­ную шайбу и контактную пластину. Вы­вод сигнала выполнен с помощью спе­циального антивибрационного кабеля. Датчик измеряет ускорения от 0,2 до 200 g. Коэффициент преобразования порядка 8 мВ на 1 g. Минимальная час­тота виброускорений 5 Гц.

§ 7.3. Чувствительность пьезодатчика и требования к измерительной цепи

Пьезоэлектрический датчик подобен электрическому конденсатору. Количество электричества д, появившееся под воздействием меха­нической силы, заряжает грани пьезоэлемента и соединенные с ним проводники до напряжения U, определяемого как U=q/C, где С — емкость между проводниками (включая емкость пьезоэлемента). Чувствительность датчика определяется как приращение выходного напряжения, соответствующее изменению силы F. При параллель­ном соединении и пластин их емкость складывается. Чувствитель­ность пьезодатчика в этом случае

где п — количество пластин; К$ — пьезоэлектрический модуль мате­риала пластины; С_вх — емкость измерительной цепи; С₀ — емкость одной пластины.

Емкость одной пластины датчика толщиной d и площадью s можно определить как емкость плоскопараллельного конденсатора:

где е₀ — абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; е₀ = 8,85 • 10~¹² Ф/м. Емкость пьезоэлемента С на практике бывает невелика и выражается в пикофарадах (1 пФ=10~¹² Ф). Выходной сигнал пьезодатчика U= S_UF, где F— измеряемая сила.

Заряженный до напряжения U конденсатор будет разряжаться через сопротивление датчика Д> и сопротивление измерительной цепи Л_вх. Для уменьшения скорости разряда необходимо стремиться к увеличению постоянной времени цепи разряда Г= (Ло/« + Км)(пСо + С_вх). При практически реализуемых значениях сопротивления датчика Л„ (десятки и сотни МОм) и его емкости С₀ (десятки пФ) надо обеспечить очень большое входное сопротивле­ние измерительной цепи. Для этого используются специальные электронные лампы, называемые электрометрическими. Электро­метрические схемы могут обеспечить входное сопротивление изме­рительной цепи до 10¹³ Ом. Для увеличения постоянной времени разряда параллельно датчику иногда включают конденсатор. При­менение измерительных цепей с очень большим входным сопротив­лением позволяет снизить нижнюю границу частоты входных сиг­налов до нескольких герц.

При измерении высокочастотных (быстроизменяющихся) удар­ных нагрузок и ускорений пьезоэлектрические датчики имеют преи­мущество перед датчиками других типов.

Контрольные вопросы