П'єзоелектричні датчики та їх характеристика

Размещенно на http://www.allbest.ru

П'єзоелектричні датчики

П'єзоелектричні датчики засновані на властивості деяких кристалів перетворювати механічні деформації у зміну електростатичних зарядів на їх гранях. Це явище можна зупинити: при прикладанні електричної напруги до граней кристала останній деформується.

В якості основного елемента п'єзодатчик містить пластину (або кілька пластин), вирізану певним чином з відповідного кристала.

Характеристики п'єзоелемента, значення коефіцієнтів, пов'язуючих електричні та механічні параметри, залежать від типу кристала, від розмірів пластини і від орієнтації її граней відносно кристалографічних осей (від типу зрізу). Для характеристики типу зрізу застосовується умовне літеро-цифрове позначення, у якому перші дві літери (X, У або Z) позначають початкові направлення товщини (t) і довжини (l) пластини. Третя і наступні букви (t, l або b) позначають бік пластини, навколо якої проводиться поворот на кут, зазначений цифрою у вигляді індексу. На фігурі 1, зображені кілька уживаних зрізів кристалів кварцу і сегнетовой солі. Осі ХУZ представляють собою прямокутну систему координат, орієнтовану належним чином щодо кристала. Характеристики п'єзо перетворювача виражаються найпростішими співвідношеннями:

 = = -;

= ; = ;

= ; = .

де и -- напруженість поля в кристалі в напрямку осей i та k в ;

Тп -- механічне напруження в кристалі вздовж осі п в ;

-- відносна деформація кристалу вздовж осі п;

-- напруга на гранях кристала уздовж осі i в в;

-- ємність кристала між обкладками, розташованими на гранях, перпендикулярних осі п;

, -- розмір пластини вздовж осі i або п (зазвичай це товщина пластини t) в м;

gin. hin, dkn, епп,Спп -- п'єзокоефіцієнти.

Індекси відповідають напрямками осей або площинах, при цьому цифр 1, 2 і 3 відповідають напрямку осей X, У і Z, цифрам 4; 5 і 6 - площині ZY, ZX, XY. Перший індекс характеризує прикладена вплив, другий - отриманий результат. Так, у коефіцієнта індекс 1 означає, що пластина деформується уздовж осі X, а напруженість поля вимірюється вздовж осі У. У коефіцієнта індекс 3 означає, що електричне поле докладено вздовж осі Z. Індекс 6 означає, що кристал зазнає зсув у площині ХУ.

Основні типи пьезодатчиків наступні:

1. П'єзодатчик, виконаний з пластин, що характеризуються коефіцієнтами з однаковими індексами, тобто вектори електричного поля і механічного напруги (стиснення або розтягнення) збігаються. Перетворювачі з такими пластинами наведені на фігурі I, 200. Э. д. с., Який отримується на обкладинках, становить:

= tn = n,

t -- товщина пластини вздовж осі i в м;

b та l -- ширина і довжина пластини в м;

-- сила, прикладена вздовж осі I;

n - число пластин.

За наявності додаткової ємності Снагр, включеної параллельно датчику, э. д. с. зменшується:

U = ,

С = - ємність кристалів.

Резонансна частота механічних коливань кристала уздовж осі визначається його розміром вздовж цієї осі і коефіцієнтом N.

= -

2. Датчик з поздовжньою деформацією пластин (фігура 1, 201). Э. д. с. на обкладках дорівнює:

= tn = n.

Решта розрахункові формули ті ж, що і в попередньому випадку. Рекомендовані матеріали: зрізи сегнетової солі -- ХY та УХ, зріз фосфорнокісного амонію -- ZХ і поляризована по товщині кераміка титанату барію.

п'єзоелектричний датчик прийомник звуковий коливання

В обох розглянутих типах перетворювачів пластини повинні бути орієнтовані по відношенню до електродів так, щоб додаток напруги викликало у всіх пластинах деформацію одного знака.

3. П'єзодатчики з біморфним системами, що представляють собою дві склеєні і певним чином орієнтовані пластини.

Залежно від виду зрізу біморфний системи реагують на вигин або на кручення (фігура I. 202). Для п'єзо датчиком, що реагують на деформацію згину, використовуються ті ж матеріали і зрізи, що і в попередньому випадку, але пластини склеюються так, що при прикладанні напруги одна з них подовжується, а інша - коротшає. Для біморфного елемента мають місце наступні співвідношення:

= F; C = ;

= ,

де q -- щільність матеріалу.

Рекомендовані матеріали: зріз сегнетової солі ХY, зріз фосфорнокислого амонію ZХ і поляризована по товщині кераміка титанату барію.

Заряди, що з'являються на гранях кристала, носять електростатичний характер і поступово стікають через опору навантаження за законом

= U

П'єзоелектричні елементи широко застосовуються як генератори і прийомники звукових коливань. Для цієї мети використовуються, як правило, одиночні пластини, збуджені по товщині. Потужність ультразвукових коливань, випромінюваних пластиною в середу з щільністю q, визначається виразом:

P = ,

де а -- стискаємість кристала;

с3 -- швидкість розповсюдження звуку в середовищі.

Для кварца у воді:

P = .

П'єзокварцевий датчик сили типу ДТ (П)

Дія датчика (фігура I. 203) заснована на перетворенні сили стискання п'єзокристалу у зміну електричних зарядів на його гранях. Кварцові п'єзокристали 1 розміщені в пружному сталевому корпусі 2.

Датчик працює спільно з підсилювачами типів ПИ-5Б або УПИТ.

Технічні дані:

Діапазон зміни сил в кГ - 0-20000

Нелінійність статичної характеристики в % - 1-3

Припустима робоча температура в °С - 100

Частота власних коливань в кГц - до 30

Частотний діапазон в гц - 0,1-2500

Габаритні розміри в мм - 80х120

Датчик призначений для вимірювання сил між елементами конструкцій або сили тяги авіадвигунів.

Размещено на Allbest.ru