Если пластину подвергнуть сжатию по оси Y (поперечный пьезоэффект), то на тех же гранях генерируется заряд Q = -Kd(b/a)F, где а и b — размеры пьезоэлемента в направлении осей X и Y. В зависимости от направления действия силы F (сжатие или растяжение) знак заряда на гранях пластины меняется.
Турмалин, в отличие от кварца, имеет не две, а одну пьезочувствительную плоскость, перпендикулярную к оптической оси Z. Благодаря такой особенности турмалин применяется для измерения объемного давления, что делает его незаменимым при измерении давления в жидкостях.
Конструктивные особенности
Конструктивно такой ИП представляет собой пластину из пьезоматериала, на две грани которого наносятся электроды для подключения к измерительной схеме. Для увеличения выходного сигнала из пластин набирают батарею из последовательно включенных пьезоэлементов (рис. 1, б).
Для измерения деформации сдвига конструкция ИП представляет собой цилиндр 1 из пьезокерамики с электродами 2, 3 (рис. 16.10, в). Под действием силы р происходит деформация сдвига плоскостей, параллельных направлению поляризации, что вызывает генерацию заряда. При измерении параметров изгиба ИП представляет собой две одинаковые склеенные между собой пластины; при изгибе одна пластина удлиняется, а друга укорачивается.
В зависимости от схемы подключения можно получить сигнал, пропорциональный сумме зарядов (рис. 16.10, г) или сумме напряжений (рис. 16.10, д.)
Преобразователи с обратным пьезоэффектом используются в качестве источников ультразвуковых и звуковых колебаний (при гидродинамических измерениях и в акустике), в исполнительных устройствах автоматики (перемещение зеркал оптических приборов), в качестве обратных ИП и др.
Погрешности пьезоэлектрических ИП определяются температурной нестабильностью пьезомодуля, неправильной установкой пластин, недостаточной избирательностью по направлению измеряемых деформаций (чувствительность к боковым силам) и зависимостью коэффициента преобразования от частоты (например, верхняя рабочая частота таких ИП достигает 200 кГц при чувствительности ),004 пКл/(м/с2), однако при предельной чувствительности 1000 пКл/(м/с2) она снижается до 1 кГц).
Достоинства и недостатки пьезоэлектрических ИП
Достоинства:
• простота конструкции
• малые габариты и стоимость
• высокая надежность
• возможность измерения быстропеременных величин
•
Недостатки:
• невысокая чувствительность
• непригодность к измерению статических величин
• высокое входное сопротивление измерительной цепи
• относительно невысокий уровень выходного сигнала, что требует дополнительного усиления.
Схемы включения пьезоэлектрических ИП
Наиболее распространенными схемами включения пьезоэлектрических ИП являются схемы с усилителем напряжения (рис. 2, а) и усилителем заряда (рис. 2, б); ИП на этих схемах имитируется источником заряда, образованным источником постоянного напряжения Ui и конденсатором Со; кроме того, на схемах обозначено: Rn, Cn — сопротивление утечки и емкость ИП и соединительного кабеля (собственная емкость ИП на пьезокерамике достигает указанных на схемах значений Сп); С — запоминающая емкость зарядочув-ствительного усилителя; R1, R2 — элементы цепи обратной связи усилителя на рис. 2, а, обеспечивающие по неинвертирующему входу коэффициент усиления К = 1 + R2/R1 = 2.
В момент t = 0 (включение моделирования) выходное напряжение усилителя (см. осциллограмму на рис. 2, в, принудительно сдвинутую по оси времени) равно K·Ui·Co/(Co 4- Сn) = 2·1·1/(1 + 1) = 1 В и затем по экспоненте спадает до нуля, что существенно затрудняет дальнейшую обработку сигнала, например, с помощью АЦП. Кроме того, выходное напряжение и соответственно результат измерения зависят от емкости Сn, значение которой, в свою очередь, зависит как от характеристик ИП, так и характеристик соединительного кабеля. В схеме же с зарядочувствительным усилителем влияние этой емкости уменьшается в А раз (так обозначается, напоминаем, коэффициент усиления ОУ), т. е. для схемы на рис. 2, б выходное напряжение (см. осциллограмму на рис. 2, г) равно Ui·Со/(С + Сn/ А) = 1·1/(1 + 1/106) = 1 В.
Рис. 2 Эквивалентные схемы включения пьезоэлектрических ИП (а, б) и осциллограммы выходных сигналов (в, г)
Недостатком такой схемы включения ИП является необходимость сброса заряда с запоминающего конденсатора С и применения для этой цели соответствующего ключа (электромеханического или электронного). Однако в случае сопряжения датчика с АЦП этот недостаток несущественен и даже полезен, поскольку при этом не потребуется устройство выборки и хранения.
Используемая литература:
1) Карлащук В.И. «Электронная лаборатория на IBMPC »
2) Терминологический справочник
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.