ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

В настоящее время для измерений динамических процессов наиболее широко применяют пьезоэлектрические измерительные преобразователи, то есть преобразователи, в которых в качестве чувствительного элемента используют монокристаллические или поликристаллические материалы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами.

Область применения пьезоэлектрических датчиков непрерывно расширяется. Раньше их применяли только для измерения вибрации и удара в области высоких частот. Сейчас пьезоэлектрические датчики начали успешно исполь­зовать для измерения виброскорости и виброперемещения. Уже разрабо­таны схемы измерительных усилителей, позволяющих осуществлять изме­рения от единиц и десятых долей герца.

Успехи в смежной области приводят к качественным изменениям в под­ходе к разработке и использованию пьезоэлектрических датчиков. Так, разра­ботки полевых транзисторов модульных элементов, позволяющих умень­шить объем схемы согласующего усилителя, привели к созданию пре­образователей, совмещенных в одном корпусе с согласующим усилителем, так называемых пьезотронов.

Для пьезотронов не требуются дефицитные специальные антивибра­ционные кабели, они позволяют устанавливать датчики на любом расстоянии от измерительного прибора (в пределах нескольких сот метров). Однако их технические характеристики (например, динамический диапазон и тем­пература) ограничены возможностями деталей согласующего усилителя. Эти преобразователи перспективно использовать для эксплуатационного контроля вибрации машин с ограниченным динамическим диапазоном (до 200 м/с²) при температурах до 100°С.

Благодаря созданию пьезотронов и схем усилителей заряда изменился взгляд на возможности кварцевых датчиков, которые стали конкурентоспособ­ными с датчиками, имеющими керамический чувствительный элемент.

Используя усилители заряда, можно устранить влияние длины соеди­нительного кабеля на коэффициент преобразования датчика. Широкому при­менению пьезоэлектрических датчиков для измерения динамических процессов способствовало появление новых типов пьезоэлементов. Так, американская фирма «Эндевко», разработав высокотемпературные пьезоэлементы, создала высокотемпературные пьезоэлектрические датчики нескольких моделей, способ­ные работать при температурах до 760 ⁰С.

Действие пьезоэлектрических датчиков основано на использовании прямого пьезоэффекта, то есть свойств некоторых материалов (пьезоэлектриков) гене­рировать заряд под действием приложенной к ним механической силы. Конструктивная схема пьезоэлектрического из­мерительного преобразователя ускорения показана на рисунке .

Рисунок  Конструктивная схема пьезоэлектрического из­мерительного преобразователя ускорения:

---

где 1 – инерционный элемент;

2 – пьезоэлемент;

3 – выводы;

4 – корпус.

Инерционный элемент 1 прикреплен к верхней грани пьезоэлемента 2, а нижняя грань пьезоэлемента прикреплена к корпусу 4. При установке преобразователя на исследуемом объекте преобразователь вос­принимает вибрацию объекта. Вследствие стремления инерционного эле­мента сохранить состояние покоя, пьезоэлемент деформируется от воз­действия на него инерционной силы

F = ma,

где m – масса инерционного элемента;

а – ускорение объекта.

Деформация пьезоэлемента и возникающий при этом электрический заряд пропорциональны ускорению. Поэтому эти преобразователи часто называют пьезоакселерометрами.

В качестве пьеэоэлемента используют поликристаллические и монокри- сталлические пьезоэлектрические вещества.

Основные преимущества пьезоэлектрических датчиков:

простота конструкции;

широкий диапазон рабочих частот;

малая чувствительность к магнитным полям;

большая вибрационная и ударная прочность;

возможность создания высокотемпературных преобразователей;

возможность создания преобразователей с малыми размерами и массой.

Основными недостатками пьезоэлектрических датчиков являются:

наличие большого выходного сопротивления;

зависимость выходного сигнала от длины кабеля (при работе с усилителем напряжения);

невозможность измерения постоянной составляющей динамического процесса.

Основными техническими характеристиками пьезоэлектрических датчиков являются:

коэффи­циент преобразования, мВс²/м;

резонансная частота закрепленного преобразователя, кГц;

относительный коэффициент поперечного преобразования, %;

емкость, пф;

диапазон рабочих температур, °С;

динамический диапазон;

предельное ускорение, м/с²;

температурная погреш­ность, м/с²;

акустическая чувствительность, м/с²;

чувствительность к деформации, м/с²;

чув­ствительность к переменному магнитному полю, м/с²;

размеры, масса и тип крепления на объекте.

Конструктивные схемы основных типов датчиков представлены на рисунке . Существует большое количество моделей пьезоэлектрических датчиков, кото­рые можно классифицировать по следующим признакам:

- по виду деформации пьезоэлемента (работающие на сжатие-растя­жение, сдвиг, изгиб);

- по способу закрепления пьезоэлемента (клееные, с предварительным поджатием, клеено-поджатые);

- по способу закрепления на объекте (прижимные, клеено-прижимные и приклеиваемые).

По принципу использования различают пьезоэлектрические датчики:

обла­дающие высоким коэффициентом преобразования (больше 10 мВс²/м);

вибро­ударопрочные (больше 10000 м/с²);

высокочастотные (больше 10 кГц);

высокотемпера­турные (больше 80°С);

устойчивые к воздействию различных влияющих факто­ров (акустических шумов, механических деформаций, электрических и маг­нитных нолей, температуре, давлению, радиации и тому подобное);

---

имеющие малый коэффициент поперечного преобразования;

обладающие низкой доброт­ностью;

совмещенные в одном корпусе с согласующим усилителем;

оснащенные внутренним калибровочным устройством;

предназначенные для эксплуатационного контроля;

эталонные.

Совершенствование конструк­ций пьезоэлектрических датчиков направлено по пути улучшения их техниче­ских характеристик и создания более совершенных и надежных моделей.

Рисунок  Конструктивные схемы основных типов пьезоэлектрических измеритель­ных преобразователей ускорения:

a  клееный датчик;

б  клеено-поджатый;

в  с параллельно включенными пьеэоэлементами;

г  с последовательно включенными пьезоэлемеитами;

д  с использованием поперечного пьезоэффекта;

е  центрированные;

ж с пьезоэлементом, работающим на сдвиг;

з  схема тандем;

ик с изгибным консольным элементом, подкрепленным и биморфным cоответ­ственно;

л — с изгибным грибообраэным чувствительным элементом

Большие значения коэффициента преобразования в пьезоэлектри­ческих датчиках в основном получаются четырьмя путями:

увеличением инер­ционного элемента;

уменьшением емкости пьезозлемента;

использованием изгибных или сдвиговых деформаций пьезоэлемента; использованием пьезокерамики с большим значением пьезомодуля.

Следует помнить, что с увеличением коэффициента преобразования в большинстве случаев снижается резонансная частота датчика.

Вибрационную и ударную прочность датчиков можно повысить, применив клеено-поджатые чувствительные элементы и датчики, работающие на сдвиг; увеличив прочность сцепления инер­ционного элемента с пьеэокерамикой и последней с корпусом и повысив требования к материалам и качеству контактирующих поверхностей, выбрав диаметр и высоту инерционного элемента и величину поджатия послед­него.

Частотный диапазон пьезоэлектрических датчиков является одной из самых важных его технических характеристик. Нижняя граница диапазона рабо­чих частот датчиков определяется ее емкостью (вместе с соединительным кабелем) и входным сопротивлением используемого в комплекте с ним измерительного прибора. Поэтому для понижения границы частотного диапазона используют датчики с большой емкостью и измерительные при­боры с высоким входным сопротивлением. Как правило, большой емкостью (несколько тысяч пикофарад) и высоким коэффициента преобразования обладают пьезо­электрические датчики с чувствительным элементом, работающим на изгиб,

В последнее время для снижения нижней границы диапазона рабочих частот применяют усилитель зарядов.

Верхняя граница частотного диапазона f_В определяется значениями установочного резонанса (который всегда лежит ниже частоты собствен­ных колебаний) и затуханием датчиков.

---

Установочный резонанс повышается при увеличении площади и повы­шении качества контактных поверхностей между чувствительным элемен­том и корпусом, корпусом и объектом, размещении чувствительного элемента непосредственно в корпусе объекта, уменьшении массы корпуса. Увеличение контактной площади обеспечивается:

плотным резьбо­вым соединением акселерометра с объектом;

по­садкой акселерометра на конусную поверхность.

Для уменьшения массы корпуса используют материалы малой плотности типа: титана, дюралюминия.

Указанные меры позволяют значительно повысить установочный резо­нанс и приблизить его к частоте собственных колебаний акселерометра.

Диапазон частот пьезоэлектрических ИП можно расширить также путем коррекции (с помощью корректирующих цепей) амплитудночастотной характеристики датчиков или усилительного канала.

Относительный коэффициент поперечного преобразования яв­ляется важной метрологической характеристикой пьезоэлектрических датчиков. Значение коэффициента поперечного преобразования наиболее распространенных датчиков с пьезоэлементом, рабо­тающим на растяжение-сжатие, зависит от многих факторов, поэтому создание датчиков с малой поперечной чувствительностью не простая задача.

Коэффициент поперечного преобразования можно уменьшить следующими способами:

 применением ИП правильной геометрической формы, с однородным составом по механическим и электрическим свойствам;

 использованием нескольких пьезоэлементов в чувствительном эле­менте, что позволяет усреднить механическую и электрическую неодно­родности отдельных пьезоэлементов;

 совмещением центра тяжести инерционного элемента со средней плоскостью пьезоэлемента;

 созданием конструкций датчиков, в которых сохраняется электрическая симметрия чувствительного элемента при изготовлении и эксплуатации.

Для отдельных образцов датчиков значения коэффициента поперечного преобразования равны 1%, однако для большинства такого типа датчиков коэффициент поперечного преобразования составляет больше 4  5%. Малые значения коэффициента поперечного преобразования можно получить для датчиков с пьезоэлементом, работающим на изгиб и на сдвиг.

Температурный диапазон датчиков можно расширить за счет использования кварца или температуростойкой пьезокерамики и компенсации погрешности от температуры с помощью температурно-зависимых элементов (конден­сатора, резистора). Таким путем в определенном температурном диапазоне можно добиться отсутствия зависимости коэффициент поперечного преобразования от температуры.

Температурный диапазон датчиков можно расширить также, применив воздушное или водяное охлаждение или с помощью охлаждаемого переходника.

Температурную стабильность пьезоэлектрических датчиков повышают искус­ственным старением пьезоэлементов путем их нагрева или механического и электрического нагружения, а также применением температуростойких клеев и материалов.

---

На используемые в промышленных условиях датчики часто воздействуют различные электрические и магнитные поля, акустические шумы, механи­ческие деформации и другие помехи.

Пьезоэлектрические датчики малочувствительны к различным помехам электрического, акустического и механического происхождения, но в ряде случаев, особенно при исследовании малых вибраций, влияние той или иной помехи является существенным.

Иногда между объектом, на котором закреплен преобразователь, и местом заземления вторичного прибора существует достаточно большая разность потенциалов. В случае применения преобразователей с токоведущими элементами, электрически связанными с корпусом, на входе изме­рительного прибора, с которым соединен преобразователь, появится зна­чительная величина паразитной наводки.

При креплении преобразователей через изоляционную прокладку электрическая помеха на входе измерительного прибора снижается при­мерно в сто раз.

Способы электрической изоляции преобразователей от объекта пред­ставлены на рисунке .

Рисунок . Способы электри­ческой изоляции преобра­зователей от объекта:

1  преобразователь;

2 – переходник;

3 и 5 – изоляторы;

4  объект;

6  винт.

Описанные выше преобразователи с изолированными от корпуса токо­ведущими элементами иногда называют дифференциальными. Большин­ство конструкций датчиков с изолированными токоведущими элементами имеют не полностью симметричный выход.

Дифференциальные преобразователи обладают еще большей помехо­защищенностью. Дифференциальные датчики и преобразователи с изолированными токоведущими элементами обладают также малой чувствитель­ностью к влиянию деформаций кабеля, переменным магнитным полям и другим помехам.

При измерении вибрации статоров, корпусов, подшипников и фунда­ментов электрических машин типа электрических двигателей и генера­торов измерительные преобразователи могут подвергаться воздействию интенсивных переменных магнитных полей, напряженность которых иногда достигает десятков тысяч ампер на метр.

Влияние переменного магнитного поля на пьезоэлектрический датчик обусловлено тремя причинами:

 наведением электромагнитной ЭДС на выводные провода и токоведущие элементы;

 явлением магнитострикции в деталях из ферромагнитных материалов;

 возникновением вихревых токов в деталях датчиков.

Чувствительность пьезоэлектрических датчиков к переменному магнитному полю носит нелинейный характер, поэтому ее нельзя характеризовать величиной электрического напряжения на выходе преобразователя (поме­щенного в магнитное поле), отнесенного к единице индукции или напря­женности магнитного поля. При этом следует указывать значение индук­ции или напряженности магнитного поля, при которых преобразователь испытывался. Вследствие нелинейносги этой характеристики электрическое напряжение помехи, вызванной магнитным полем, содержит ряд гармо­нических составляющих: 50, 100, 150 Гц и так далее. Основными являются составляющие 50 и 100 Гц.

---

Смотрите также файлы

• Текст- Классиф.doc

• Реферат1.doc

• Содер(рам) 1.doc

• Содер(рам) 2.doc

• ПЕРЕЧЕНЬ.doc