Пьезоэлектрические преобразователи

Данный тип преобразователей относится к подгруппе генераторных, работа которых основана на пьезоэлектрическом эффекте - способности некоторых материалов накапливать электрические заряды в результате механической нагрузки. Величина заряда Q связана с силой Р следующей зависимостью

 

Q = d · Р,

 

где d – пьезомодуль материала преобразователя;

Р– приложенное усилие.

В качестве материала используются естественные кристаллы – кварц, турмалин и искусственные – продукты отжига прессованной смеси, состоящей из мелко раздробленного сегнетоэлектрика с присадкой. Лучшие свойства у цититаното-цирконато-свинца (ЦТС) и титоната бария (ТiВа) имеющих высокий пьезомодуль и обеспечивающих работу преобразователей до температуры
250 ⁰С. При проектировании преобразователя в основном используют три схемы нагружения пьезоэлемента: растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг.

Минимальная частота воспроизводимого сигнала определяется условием

 

f>>1/t,

где t – постоянная времени, t = R C;

R – сопротивление утечек от объемной и поверхностной проводимости пьезоэлемента;

C – емкость преобразователя.

Область применения пьезоэлектрических преобразователей весьма обширна.

Преобразователи, в которых используется прямой пьезоэффект (рисунок 8.1, а), применяют в приборах для измерения силы, давления, ускорения. У них обеспечивается большая жесткость и, как следствие, высокая собственная частота.

Рисунок 8.1 - Схемы нагружения пьезопреобразователей

 

Преобразователи, где используется обратный пьезоэффект, применяются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний, преобразователей напряжения в деформацию, например, в пьезоэлектрических реле, исполнительных элементах автоматических систем, перемещающих зеркала оптических приборов ), обратных преобразователей приборов уравновешивания и т. д.

Преобразователи, в которых используются одновременно прямой и обратный пьезоэффекты, – пьезорезонаторы, имеющие максимальный коэффициент преобразования одного вида энергии в другой на резонансной частоте и резко уменьшающийся коэффициент преобразования при отступлении от резонансной частоты, применяют в качестве фильтров, пропускающих очень узкую полосу частот.

Пьезорезонаторы, включенные в цепь положительной обратной связи усилителя, работают в режиме автоколебаний и используются в генераторах. В зависимости от типа кристалла, среза и типа возбуждаемых колебаний пьезорезонаторы могут выполняться с высокостабильной, не зависящей от внешних факторов собственной частотой и с управляемой собственной частотой. Управляемые резонаторы используются в частотно-цифровых приборах как преобразователи различных, преимущественно неэлектрических (температура, давление, ускорение и т. д.), величин в частоту.

В пьезоэлектрических преобразователях используются кварц и различные типы пьезокерамик. Пьезокерамики имеют значительно более высокие по значениям, чем кварц, пьезомодули, но худшие упругие свойства. Модуль упругости пьезокерамических материалов Е = (0,65…1,3)10^-11 Па. Добротность, определяемая только механическими потерями, лежит в диапазоне Q = 100…300. Тангенс угла потерь (при напряженности Е < 25 кВ/м) для большинства пьезокерамических материалов составляет tg (б) = 0,02…0,05. Все материалы обладают пьезоэлектрическими свойствами лишь в определенном температурном диапазоне, граница которого определяется точкой Кюри. Для кварца точка Кюри соответствует температуре 530 °С, для пьезокерамик эти температуры ниже.

Устройство и измерительные цепи. На рисунок 8.2, асхематически изображено устройство пьезоэлектрического преобразователя для измерения давления. Измеряемое давление Р действует на мембрану 1, представляющую собой дно корпуса преобразователя. Наружные обкладки кварцевых пластин заземляются, а средняя обкладка (латунная фольга 3) изолируется относительно корпуса самим кварцем, имеющим очень высокое удельное сопротивление. Кварцевые пластины Х-среза 2 соединены параллельно. Сигнал с кварцевых пластин снимается экранированным кабелем 5. Для удобства соединения вывода от фольги с внутренней жилой кабеля в корпусе преобразователя предусмотрено отверстие, закрываемое пробкой 4.

Рисунок 8.2 – Устройство пьезоэлектрического преобразователя

 

Выходная мощность пьезоэлектрических преобразователей очень мала, поэтому на выходе преобразователя должен быть включен усилитель с возможно большим входным сопротивлением.

Эквивалентная схема преобразователя, соединенного кабелем с измерительной цепью, представлена на рисунке 8.3, б, на котором С_о – емкость между гранями пьезоэлектрика (емкость преобразователя); С_к – емкость кабеля между жилой и экраном и С_вх – входная емкость измерительной цепи; R_o –сопротивление преобразователя; R_к – сопротивление изоляции кабеля; R_{B X} – входное сопротивление измерительной цепи.

 

 

Рисунок 8.3 – Эквивалентная схема преобразователя

Эквивалентную схему можно упростить согласно рисунка 8.3, б, где сопротивление R равно сопротивлению параллельного соединения R_o, R_к и R_BX и емкость С = С_о + С_к + С_вх.

При синусоидальной силе

f = F_m· sin ωt.

Мгновенный ток i = dq/dt = d (d₁₁F_msin ωt)/dt.

Амплитуда напряжения и сдвиг фаз между напряжением и измеряемой силой зависят от частоты:

 

.

 

Из приведенных выражений следует, что напряжение на входе усилителя не будет зависеть от частоты только при высоких частотах ω > 1/(RC) и будет равно

U_вых = d_n ·F/C.

 

Из этого выражения видно, что выходное напряжение преобразователя зависит от емкости входной цепи. Поэтому если в характеристиках преобразователя указывается его чувствительность по напряжению, то обязательно должна быть указана и емкость, соответствующая этой чувствительности. В ряде случаев указывается чувствительность по заряду S_q = q/F и собственная емкость преобразователя С_о или напряжение холостого хода U_хх = d₁₁·F/C₀ и также собственная емкость преобразователя. Во всех случаях, зная суммарную емкость С, можно рассчитать выходное напряжение преобразователя.

Для расширения частотного диапазона измеряемых величин в сторону низких частот следует увеличить постоянную времени цепи τ = RC. Расширение частотного диапазона путем увеличения емкости С легко осуществляется включением параллельно преобразователю конденсаторов, однако, это приводит к уменьшению выходного напряжения преобразователя. Увеличение сопротивления R приводит к расширению частотного диапазона без потери чувствительности, однако повысить сопротивление можно только путем улучшения качества изоляции и применения усилителей с высокоомным входом.

Собственное сопротивление пьезоэлемента R_o определяется удельным сопротивлением материала пластин и их поверхностным сопротивлением. Первая составляющая, в особенности для кварца (10¹⁵ …10¹⁶ Ом), как правило, значительно больше второй, поэтому определяющим является поверхностное сопротивление, для повышения которого до R = 10⁹…10¹⁰ Ом преобразователь приходится герметизировать, защищая его поверхности от влажности и загрязнения.

До недавнего времени измерительные цепи пьезодатчиков выполнялись в виде усилителей напряжения с высокоомным входом. Пример такой измерительной цепи показан на рисунке 8.4. В этой цепи используется неинвертирующий усилитель на основе операционного усилителя с входным каскадом на полевом транзисторе. Напряжение, поступающее на вход усилителя, равно

,

 

выходное напряжение усилителя

 

,

где С = С₀ + С_к +С₁

 

Рисунок 8.4 – Измерительная цепь в виде усилителя с высокоомным входом

 

Основным недостатком схемы с усилителем напряжения является зависимость выходного напряжения и чувствительности датчика отемкости кабеля С_к (70…150 пФ на каждый метр длины кабеля), которая может существенно изменяться в зависимости от положения кабеля и таких внешних факторов, как температура и влажность. Емкость пьезокварцевого датчика С_о весьма стабильна, однако не превышает 5…150 пФ. Емкость пьезокерамических пластин может достигать 10³ пФ, однако значение емкости в этом случае менее стабильно, чем для кварцевых пластин, и может изменяться под действием температуры. Для того чтобы уменьшить нестабильность чувствительности параллельно входу усилителя включается дополнительная стабильная емкость С₁, значение которой определяется допустимой погрешностью чувствительности
γ_S = (∆С₀ + ∆С_К)/(С_О + С_к + С₁). Таким образом, входное напряжение усилителя и чувствительность преобразователя S = Uвх/F при заданной нестабильности емкости определяются допустимой погрешностью.

Так, например, для пьезоэлектрического датчика, состоящего из двух параллельно включенных пластин, при допустимой погрешности чувствительности y_S = ±1 % и нестабильности емкости кабеля ∆С_к = ±20 пФ максимальная чувствительность составляет

S = U/F = 2d₁₁/C,

где С > ∆C_k/γ_S = 20/0,01 = 2000 пФ;

S = 2∙2,1- 10^-12/(2000- 10^-12) = 2,1 мВ/Н.

Выходное напряжение усилителя увеличивается за счет увеличения его коэффициента усиления k = (1 + R₂/R₁), однако, лишь до известных пределов, так как с ростом коэффициента усиления усилителя и уменьшением глубины обратной связи возрастают погрешности усилителя.

Важной характеристикой измерительной цепи является постоянная времени τ = RC. Для измерительной цепи с усилителем напряжения сопротивление R определяется параллельно соединенными сопротивлениями изоляции датчика, кабеля, входным сопротивлением усилителя и сопротивлением R₃. Наиболее высокое входное сопротивление (до 10¹³…10¹⁵ Ом) обеспечивают МДП-транзисторы, однако они имеют значительно более высокий уровень шумов, чем полевые транзисторы с p-n-переходом. Поэтому с высокочувствительными датчиками чаще применяются последние, например транзистор КП303Г, входное сопротивление которого составляет не менее 10¹¹ Ом.

Сопротивление R₃ стабилизирует уровень выходного напряжения усилителя, определяемый входным током усилителя. Полагая, что входной ток I_вх не превышает 10^-11 А, и допуская уровень постоянного напряжения на выходе усилителя до 1 В, можно определить значение R₃ ≈ 10¹¹ Ом.

Анализ отдельных составляющих сопротивления R показывает, что определяющим сопротивлением является, как правило, сопротивление поверхностной утечки датчика и значение R обычно не превышает 10⁹ Ом. Таким образом, даже при емкости С = 1000 пФ постоянная времени τ ≤ 1 с.

В настоящее время наряду с усилителями напряжения с пьезоэлектрическими датчиками применяются также преобразователи заряда в напряжение, называемые усилителями заряда.

Конструкции пьезоэлектрических преобразователей. Достоинствами пьезоэлектрических преобразователей являются малые габариты, простота конструкции, надежность в работе, возможность измерения быстропеременных величин, очень высокая точность преобразования механических напряжений в электрический заряд. Для кварца, который по своим упругим свойствам близок к идеальному телу, преобразование механического напряжения в электрический заряд осуществляется с погрешностью 10^-4 …10^-6. В последние годы в связи с развитием высокоточной электроники появилась возможность реализовать эту точность в широком частотном диапазоне и в измерительных цепях, преобразующих заряд. Таким образом, пьезоэлектрические преобразователи в перспективе являются наиболее точными преобразователями для датчиков давлений, ускорений, сил.

На рисунке 8.5, апредставлена конструкция пьезоэлектрического датчика ускорений. Все элементы датчика крепятся к основанию, выполненному из титана. Преобразователь 2 состоит из двух параллельно включенных пьезоэлементов из кварца Х-среза. Инерционная масса 3 для уменьшения габаритов датчика изготовлена из легкообрабатываемого сплава ВНМЗ-2 с высокой плотностью 18 Мг/м³ (18 г/см³). Сигнал с кварцевых пластин снимается при помощи вывода из латунной фольги 4, соединенного с кабелем 6. Кабель крепится к основанию при помощи пайки. Датчик закрывается крышкой 5, навинчиваемой на основание. На основании 1 нарезана резьба для крепления датчика на объекте. Масса датчика 35 г, рабочий диапазон 1…150 м/с².

При конструировании датчика акселерометра одним из основных вопросов является крепление пьезочувствительных пластин к основанию и инерционной массе. Сочленение пластин с основанием и инерционной массой в датчике, (рисунок 8.5, а),осуществляется посредством пайки. К кабелю, соединяющему датчик акселерометра с усилителем, предъявляются следующие требования: большое сопротивление изоляции, малая емкость между жилой и экраном, гибкость и антивибрационность. Последнее означает, что при вибрации кабель не должен наводить на вход усилителя ЭДС, возникающую в результате трения изоляции об экран при тряске кабеля. Лучшим является кабель типа АВК-3, емкость этого кабеля составляет 70…80 пФ/м.

При длинных линиях связи между датчиком и усилителем для уменьшения помехи необходимо симметрирование измерительной цепи. В датчике (рисунок 8.5, а), сопротивления связи между выводами и корпусом резко несимметричны, так как вывод 4от внутренних пластин изолирован от корпуса, а внешние пластины и вывод от них, которым является экран кабеля, непосредственно соединены с корпусом. Для обеспечения симметрии сопротивлений связи датчик выполняется из нечетного числа пластин, соединенных так, как показано на рисунке 8.5, б.Сквозь центральные отверстия пластины через изоляторы прижимается винтом к корпусу. Выводы пластин подключаются к усилителю с симметричным входом.

	а)

б)

Рисунок 8.5 – Конструктивные схемы пьезоэлектрических преобразователей для измерения параметров вибраций

 

Для повышения чувствительности датчика используют пьезоэлементы, имеющие пьезомодуль значительно выше по сравнению с кварцем. Пьезоэлемент выполняется в виде ряда параллельно соединенных при помощи металлических прокладок ипластин. В этом случае чувствительность преобразователя определяется по формуле

 

S = d11∙n(С_вх + п·С₀),

где п - число параллельно соединенных пластин;

С_о - емкость одной пластины.

Высокую чувствительность имеют также преобразователи с пьезо-элементами, работающими на изгиб (рисунок 8.1, б). Но они значительно уступают по механическим свойствам преобразователям, работающим на сжатие и имеют сравнительно низкую собственную частоту.

Пьезоэлемент, называемый биморфным, составлен из двух пластин. При действии силы пьезоэлемент прогибается, верхняя пластина испытывает растяжение, нижняя – сжатие и на пластины наводятся заряды. Пластины, в зависимости от направления положительных осей в них могут соединяться как параллельно, так и последовательно.

Кроме этого, в качестве одной из пластин может быть использован не пьезоэлемент, а металлическая накладка такой толщины, чтобы пьезопластина лежала выше нейтрального слоя.

Для повышения чувствительности используют также пъезоэлементы, работающие на сдвиг (рисунок 8.1, в). Они обладают низкой боковой чувствительностью.

Для измерения медленно изменяющихся сигналов при обычной схеме включения должно быть выполнено условие t = ¥, что невозможно, поэтому поступают следующим образом: пьезопреобразователь включают в схему автогенератора на резонансной частоте пьезокристалла. При нагружении пьезопреобразователя будет изменяться его резонансная частота. По изменению частоты судят о величине нагрузки (усилия).

Выпускаемые в настоящее время пьезоакселерометры перекрывают диапазон ускорений 2·10⁵…10⁶ м/с². Наиболее высокочастотные акселерометры имеют собственную частоту до 200 кГц при чувствительности 0,004 пКл/(м/с^-2). Наиболее высокочувствительные пьезоакселерометры имеют чувствительность до 1000 пКл/(м/с^-2), но их собственные частоты не превышают 1 кГц.

Преимущества пьезоэлектрических преобразователей: широкий частотный диапазон, большая вибрационная прочность, малая чувствительность к магнитным полям, простота конструкции, возможность создания преобразователей малых размеров и масс.

Недостатки: большое выходное сопротивление, что определяет жесткие требования к измерительным схемам и кабелям.