Желбаков И.Н., Кончаловский В.Ю., Солодов Ю.С. Метрология, стандартизация, сертификация - файл n1.doc

приобрести
Желбаков И.Н., Кончаловский В.Ю., Солодов Ю.С. Метрология, стандартизация, сертификация
скачать (8721.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc8722kb.07.07.2012 01:23скачать

n1.doc

1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   41

3.8.1. Принцип действия.



Прямой пьезоэлектрический эффект (далее – пьезоэффект) состоит в появлении электрических зарядов на гранях некоторых диэлектриков под влиянием механических напряжений. При снятии напряжений диэлектрик приходит в исходное состояние. Такие диэлектрики называют пьезоэлектриками.

В качестве пьезоэлектриков применяются кварц, титанат бария, сегнетова соль и др. Наибольшее применение для измерений нашёл кварц, у которого пьезоэлектрические свойства сочетаются с высокой механической прочностью.

В кристаллах кварца различают три главных оси (рис. 3.18): продольную оптическую ось ZZ; электрические оси Х – Х, проходящие через рёбра шестигранной призмы нормально к оптической оси; нейтральные или механические оси YY.

Рис. 3.18. Оси симметрии кристалла кварца
Если из кристалла кварца вырезать параллелепипед таким образом, чтобы его грани были параллельны электрической, механической и оптической осям, то под влиянием сил FX и FY, действующих перпендикулярно оптической оси, на плоскостях, перпендикулярных электрической оси, появятся заряды. При действии силы FZ электризации кварца не происходит.

Если на параллелепипед действует растягивающая сила FX, то на каждой из граней bc (b и с – рёбра параллелепипеда), перпендикулярных электрической оси Х, появятся заряды. Значение заряда не зависит от геометрических размеров кристалла:
Q = kFX,
где k = 2,31·10-12 – пьезоэлектрический модуль кварца.

При сжатии кристалла силой FX заряды имеют противоположный знак.

Пьезоэффект, возникающий при действии силы, направленной вдоль электрической оси, называется продольным пьезоэффектом.

Если растягивающая сила FY направлена вдоль механической оси Y, то заряды тоже возникают только на гранях, перпендикулярных электрической оси Х, но знак будет обратным по сравнению со случаем приложения растягивающей силы FX вдоль оси Х и значение заряда зависит от геометрических размеров кристалла:

,
где a и b – длина рёбер параллелепипеда.

Отношение b/a иногда увеличивают для повышения чувствительности преобразователя.

Пьезоэффект, возникающий при действии силы, направленной вдоль механической оси, называется поперечным пьезоэффектом.

Заряд, возникающий на гранях пьезоэлемента, сохраняется лишь при отсутствии утечки, т.е при бесконечно большом входном сопротивлении измерительной цепи. Поскольку это условие невыполнимо, для статических измерений пьезоэлектрические преобразователи не используются, они применяются только для измерения динамических величин. При действии переменной силы количество электричества всё время восполняется и становится возможным потребления некоторого тока измерительной цепью.

3.8.2. Измерительные цепи.



Выходная мощность пьзоэлектрических преобразователей мала, поэтому они всегда используются с усилителями. Пусть воздействующая сила изменяется по синусоидальному закону:
F = Fmsin?t.
Тогда

Q = k Fmsin?t = Qmsin?t ,
где k – пьезомодуль; Qm – амплитуда заряда.

От заряда (количества электричества) можно перейти к току:
cos?t. (3.17)
На рис. 3.19,а показана эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя ПП вместе со входной цепью подключённого к нему усилителя У. Здесь С0 и R0 ёмкость и сопротивление между гранями пьезоэлектрика, Свх и Rвх – входная ёмкость и входное сопротивление усилителя, а активный элемент ПП представлен источником тока, соответствующего (3.17). Этот ток преобразуется в напряжение u на входе усилителя.

На рис. 3.19,б параллельно соединённые ёмкости и сопротивления объединены:

С = С0 + Свх; .
Переходя к комплексной форме изображения синусоидальных величин, можно записать:
; ; ; ; .
Модуль комплексного напряжения

,
где ? = RC; ?(?) = .


Рис. 3.19. Эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя вместе со входной цепью усилителя (а) и она же в более простом виде (б).
При ? = 0 имеем ?(?) = 0 и U = 0, а при (??)2 >> 1 ?(?) ? 1 и

U ?

Отсюда ясно, что частотный диапазон ограничен снизу, причём нижняя граница fн зависит от ?: чем больше ?, тем меньше fн. Вместе с тем ясно, что увеличивать ? путём увеличения ёмкости С (присоединять конденсатор параллельно входу усилителя) невыгодно, т.к. при этом снижается чувствительность преобразователя

.

Увеличения ? без снижения S можно достичь за счёт увеличения R. Сопротивление R0 практически определяется поверхностным сопротивлением пьезоэлектрика и при герметизации преобразователя обычно составляет 1 – 10 ГОм, поэтому при Rвх << R0 значение R практически определяется Rвх. Следовательно, для расширения частотного диапазона в сторону низких частот нужно применять усилители с высоким Rвх.

Ограничение со стороны высоких частот связано с механическими резонансными явлениями. Частотная характеристика преобразователя – зависимость чувствительности S от частоты f изменяющейся силы c неизменной амплитудой показана на рис. 3.20. Реальный частотный диапазон может быть, например, от нижней границы fн = 10 Гц до верхней границы fв = 10 кГц.


Рис. 3.20. Частотная характеристика пьезоэлектрического преобразователя.
Пьезоэлектрические преобразователи применяются для измерения переменных сил, давлений, ускорений. Их достоинства – простота конструкций, высокая надёжность. Наиболее широкое применение они нашли для измерения вибрационных ускорений. {3К21}

ВОПРОСЫ:

1. Что представляет собой пьезоэлектрический измерительный преобразователь? Для измерения каких неэлектрических величин он используется?

2. Каков принцип действия пьезоэлектрического измерительного преобразователя?

3. Нарисуйте простейшие схемы включения пьезоэлектрических измерительных преобразователей.


3.9. Термоэлектрические измерительные преобразователи

1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   41


3.8.1. Принцип действия
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации