Разделы

Авто
Бизнес
Болезни
Дом
Защита
Здоровье
Интернет
Компьютеры
Медицина
Науки
Обучение
Общество
Питание
Политика
Производство
Промышленность
Спорт
Техника
Экономика

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Пьезоэлектрические датчики (рисунок 27) основаны на использовании пьезоэлектрического эффекта. Сущность его заключается в том, что на гранях некоторых кристаллов при их сжатии или растяжении появляются заряды. В качестве материалов для датчиков применяются кварц, титанат бария. Различают прямой и обратный пьезоэлектрический эффект.

Прямой пьезоэлектрический эффект состоит в том, что под влиянием механических напряжений на гранях кристаллов появляются электрические заряды. При снятии усилий кристалл возвращается в не наэлектризованное состояние.

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при внесении пьезокристалла в электрическое поле происходит изменение геометрических размеров кристалла (сжатие или растяжение).

Прямой пьезоэлектрический эффект используется для измерений быстропротекающих динамических процессов. Большое применение получили манометры, вибраторы, измерители ускорений и др.

Обратный пьезоэлектрический эффект нашел применение в ультразвуковых генераторах. Количественно пьезоэлектрический эффект оценивается зависимостью:

 

q = k o F

где k o - пьезоэлектрическая постоянная (пьезоэлектрический модуль);

F - приложенная сила.

 

В качестве материала для датчиков чаще всего применяется кварц, так как он имеет высокие пьезоэлектрические и изоляционные свойства, малую температурную зависимость и высокое сопротивление.

Из монокристалла кварца вырезаются шайбы, диски или пластины таким образом, чтобы наибольшая плоскость была перпендикулярна электрической (кристаллографи- ческой) оси.

 

 

Рисунок 2.27

 

 

В кристалле кварца имеются следующие оси симметрии:

- Z - продольная ось, называется оптической;

- X – электрическая ось (ось, проходящая через ребра шестигранной призмы нормально к оптической оси);

- Y - механическая ось или нейтральная ось (нормально к граням).

При действии на пластину силы Fx вдоль электрической оси X на гранях возникает заряд (продольный пьезоэффект). Величина заряда не зависит от геометрических размеров и определяется зависимостью :

qx = ko×Fx

где ko - пьезоэлектрическая постоянная или пьезоэлектрический модуль.

 

Если пластину сжимать силами Fy по механической оси Y, возникают заряды только на гранях, перпендикулярных электрической оси X (поперечный эффект). Знак заряда будет противоположным по сравнению с усилием, приложенным вдоль оси X .

В этом случае величина зарядов будет зависеть от геометрических размеров кристалла:

qy = - ko ×Fy ×l / b

где: l - длина пластины; b - ширина пластины.

 

Для повышения чувствительности датчика следует увеличить отношение l / b .

Пьезоэлектрические датчики для статических измерений не используются, так как заряд, возникающий на гранях пьезоэлемента под действием усилий, имеет очень малую величину, что создает опасность разряда его через утечку изоляции, т. е. заряд на гранях пластин может сохраняться сколь угодно долго, при условии бесконечно большого входного сопротивления измерительной цепи, а это практически невыполнимо. Поскольку утечка зарядов при динамических процессах имеет малое значение (под действием переменных сил количество электричества все время восполняется), то пьезодатчики в основном применяются для измерения динамических величин.

Пьезоэлектрические датчики конструктивно (для увеличения чувствительности) представляют собой набор малых шайб, дисков, пластин, которые механически соединяются последовательно, а электрически-параллельно. При этом заряды одноименно заряжающихся плоскостей должны складываться .

Простейший пьезоэлектрический датчик состоит из пластинок 1 и станолиновых прокладок 3. Изоляционная прокладка 2 служит для уменьшения утечки зарядов.

Чувствительность пьезодатчика при параллельном соединении пластинок:

Sд = ko / ( Cвх / n + Со )

где k о - пьезоэлектрическая постоянная (пьезомодуль) ;

n - число параллельно соединенных пластин ;

Свх - емкость измерительной цепи (емкость проводов, соедини -

тельного кабеля и т. д. ).

Емкость датчика ( n Ф ) определяется как емкость плоскопараллельного конденсатора :

С о = 0,89×E ×Sx / d

где E - диэлектрическая постоянная материала пластинки, Ф/ м ;

Sx - площадь грани, перпендикулярной оси X ,см2 ;

d - толщина пластинки в направлении оси X , мм.

 

При использовании пьезоэлектрических датчиков обычно измеряют не заряд, а напряжение на емкости, образуемой обкладками шайбы, диска или пластины :

где Сд - собственная емкость пьезоэлектрического датчика.

 

Для пьезоэлектрических датчиков, кроме природных материалов кварца и турмалина, применяются также искусственные кристаллы: сегнетовая соль, дигидрофосфат калия, дигидрофосфат аммония. Пластины из искусственных кристаллов вырезаются под некоторым углом к полярным осям.

Сегнетовая соль имеет высокий пьезоэлектрический модуль, который в 70 раз больше пьезоэлектрического модуля кварца, но она имеет очень низкую механическую прочность, а также большую зависимость характеристик от температуры и влажности.

Основным достоинством всех пьезоэлектрических датчиков является их безынерциозность, а основным недостатком - малая выходная мощность. Для усиления выходной мощности пьезоэлектрических датчиков применяются усилители.

Пьезоэлектрические датчики применяются для измерения быстропротекающих процессов (давления в двигателях внутреннего сгорания, регистрация ударов метеорных частиц).

 

Дата публикации:2014-01-23

Просмотров:1560

Вернуться в оглавление:

Комментария пока нет...


Имя* (по-русски):
Почта* (e-mail):Не публикуется
Ответить (до 1000 символов):







 

2012-2018 lekcion.ru. За поставленную ссылку спасибо.