1.П’єзо електричний резонатор

- це різновид перетворювачів електромеханічного типу. Основа п’єзо резонатора - механічний вібратор з кристалічного або полікристалічного п'єзоелектричного матеріалу, виконуваної звично у вигляді елементу правильної форми (прямокутні пластини, диска, стрижня і т.п.). На вібратор (п’єзо - елемент) наноситься система з двох або більш електродів, використовуваних для збудження в ньому механічних коливань. Для з'єднання з джерелом електричної енергії з п’єзо резонатор забезпечується струмо проводами, а для фіксації в приєднаної конструкції - елементами кріплення .

У основі роботи п'єзоелектричного резонатора лежить п’єзо ефект, обеспечивающий перетворення вхідної електричної напруги, що підводиться до електродів, в механічну напругу в тілі вібратора

(зворотний п'єзоефект), і у відповідь реакцію по виходу у вигляді зарядів на електродах, що виникають в результаті деформацій вібратора під дією механічних напруг (прямий п’єзо ефект).

Оборотність п'єзоелектричних перетворювачів дозволяє виконати елемент у вигляді двополюсника, об’єднуючої системи електричного збудження механічних коливань і знімання електричного сигналу, пропорційного їх амплітуді.

Основні різновиди п’єзо резонаторів.

Е

Е Е ПЕ

ПЕ ПЕ

Е В

б) в)

а)

На мал. а і б - найпоширеніший тип п’єзо резонаторов - електроди збудження Э нанесені безпосередньо на вібратор В, виконаний з однорідного по складу п’єзо активного матеріалу моно кристала або кераміки.

На мал. в - складові п’єзо резонатору - конструктивно виконуються в єдиний елемент не п'єзоелектричного вібратора і п'єзоелектричного збудника коливань.

Фізичні властивості п'єзоелектричних резонаторів

Під термо чутливістю п'єзоелектричного резонатора розуміється звичайно залежність його резонансної частоти від температури. Кількісно термо чутливість прийнято оцінювати через коефіцієнт термо чутливості Сt, визначений при фіксованій температурі to чисельно рівний похідною від частоти f по температурі:

Сt = d f / dt

t=to

Тензо чутливістю п'єзоелектричного резонатора називають залежність його резонансної частоти від механічних напруг, створюваних в п’єзо елементі під дією зусиль або деформацій. Коефіцієнт сило чутливості :

КF = df / f dF .

Коефіцієнт перетворення сили в частоту:

SF=df / d F = KF f ;

КS= df / f dS

Коефіцієнт перетворення деформації в частоту:

Ss=df/dS= KS f

Під мас - чутливістю розуміється залежність частоти fр п'єзоелектричного резонатора від значення приєднуваної до його поверхні маси m речовини.

 f / f p = - m / M,

где: М - маса п'єзо елемента;

m - приріст маси, m =  h k S,

h- резонансний розмір п’єзо елементу;

k - густина п’єзо матеріалу ;

S- поверхня п’єзо елементу, нормальна до резонансного напряму;

fр=  / 2 h,

 - швидкість пружної хвилі;

h- резонансний розмір.

Акосто чутливістю називають властивість п’єзо резонаторsв змінювати свої параметри ( добротність, частоту) при змінах акустичного комплексного опору Zа середовища, що оточує п’єзо резонатор. Значення Zа визначає механічне навантаження, створюване на поверхні коливаючого вібратора. Акустичні властивості середовища, що контактує з п’єзо резонатором, прийнято характеризувати комплексним опором, що містить активну Ra і реактивну Ха складові:

Za= Ra+jXa; j =  -1.

Електронні схеми п’єзо резонансних датчиків.

Збудження керованого п’єзо резонатора у вимірювальних перетворювачах може здійснюватися в режимах автоколивань , вимушених коливань і вільних коливань .

У автоколивальному режимі (мал. а ) п’єзо резонатор використовується як частотно задаючого елемент замкнутої системи, що містить підсилювач У.

У Вих fo

ПР

ГВ Вих

ПР

R

а)

б)

Режим автоколивань підтримується в схемі на частоті, близькій до частоти робочого резонатора . Вимірювана дія модулює власну частоту або втрати, що приводить до частотної або амплітудної модуляції несучою на виході автогенератора.

У режимі вимушених коливань збудження п’єзо резонатора здійснюється від незалежного генератора ГВ. При роботі генератора ГВ на фіксованій частоті fo через п’єзо резонатор протікає струм, амплітуда і фаза якого визначаються провідністю п’єзо резонатора і амплітудою сигналу генератора. Вимірювана дія , змінюючи частоту п’єзо резонатора і

(або) моделюючи втрати резонатора, викликаючи амплітудну і фазову модуляції напруги Uвих на виході схеми.

Амплітудно-частотні характеристики не обуреного п’єзо резонатора (крива 1) і при перебудові частоти (крива 2) приведені на рис. в.

Zпр 1 2

Z1

Z2

fr fo fa f

в)

У іншому варіанті пристрою, що використовує режим вимушених коливань, керований генератор збудження УГВ виконується перебудованим по частоті мал. г .

УВГ У К

ПР

БУ ИУ Вих

R ПР

г) ИУ

Вих

д)

Управління частотою здійснюється блоком БУ, який автоматично усуває розлад, внесений вимірювальною дією. Блок настройки може працювати за принципом розгортаючого перетворювача або за принципом стежачої системи, а підстроювання може вестися по амплітуді або по фазі струму через резонатор. В мить, коли настройка виконана, включається вимірювальний пристрій ІУ (вимірник частоти, струму і т.д.), свідчення якого однозначне зв’язане з вимірюваною дією.

У режимі вільних коливань (мал. д) вимірювання параметрів пере будовуваного п’єзо резонатора виробляється через деякий час після того, як резонатор відключається ключем К від підсилювача У, що порушив в ньому резонансні коливання; схема вимірювання фіксує або частоту вільних коливань п’єзо резонатора, або швидкість загасання цих коливань залежно від того, чи використовується управління п’єзо резонатором по частоті або добротності. Цей режим порівняно рідко застосовується в п’єзо резонансних датчиках.