Пьезоэлектрические преобразователи силы, давления и ускорения

Устройство и измерительные цепи.

На рис. 2-16, а схематически изображено устройство пьезоэлектрического преобразователя. Измеряемое давление Р действует на мембрану7, представляющую собой дно корпуса преобразователя. Наружные обкладки кварцевых пла­стин заземляются, а средняя обкладка (латунная фольга 3) изоли­руется относительно корпуса самим кварцем, имеющим очень высокое удельное сопротивление. Кварцевые пластины Х-среза 2 соединены параллельно. Сигнал с кварцевых пластин снимается экранирован­ным кабелем 5. Для удобства соединения вывода от фольги с внутрен­ней жилой кабеля в корпусе преобразователя предусмотрено отвер­стие, закрываемое пробкой 4.

Выходная мощность пьезоэлектрических преобразователей очень мала, поэтому на выходе преобразователя должен быть включен уси­литель с возможно большим входным сопротивлением.

Эквивалентная схема преоб­разователя, соединенного кабе­лем с измерительной цепью, представлена на рис. 2-16, б, на котором С₀ – емкость между гранями пьезоэлектрика (емкость преобразователя); С_К – ёмкость кабеля между жилой и экраном и С_ВХ – входная емкость измери­тельной цепи; R₀– сопротивление преобразователя; R_К- сопротив­ление изоляции кабеля; R_ВХ –входное сопротивление измерительной цепи.

Эквивалентную схему можно упростить согласно рис. 2-16, в, где сопротивление R равно сопротивлению параллельного соединения R₀, R_К и R_ВХ и емкость С= С₀ + С_К+ С_ВХ.

При синусоидальной силе f =F_msinwt, мгновенный ток

i=dq/dt=d(d₁₁Fmsinwt)/dt.

Выходное напряжение преобразователя подключенной к нему измерительной цепи составляет:

,

где

Как видно из последнего выражения, амплитуда напряжения и сдвиг фаз между напряжением и измеряемой силой зависят от частоты:

j=p/2+arctgwRC.

Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики преоб­разователя, включенного в измерительную цепь, представлены на рис. 2-16, г. Из приведенных выражений следует, что напряжение на входе усилителя не будет зависеть от частоты только при высоких частотах w>1/(RC) и будет равно .

Из этого выражения видно, что выходное напряжение преобразо­вателя зависит от емкости входной цепи. Поэтому если в характери­стиках преобразователя указывается его чувствительность по напря­жению, то обязательно должна быть указана и емкость, соответствую­щая этой чувствительности. В ряде случаев указывается чувствитель­ность по заряду S_q=q/F и собственная емкость преобразователя С₀или напряжение холостого хода и также собственная емкость преобразователя. Во всех случаях, зная суммарную емкость С, можно рассчитать выходное напряжение преобразователя.

Для расширения частотного диапазона измеряемых величин в сто­рону низких частот, очевидно, следует увеличить постоянную времени цепи t = RC. Для того чтобы получить представление о значениях сопротивлений и емкостей, на рис. 2-16, д приведены кривые 1 и 2 чувствительности пьезоэлектрического акселерометра в функции ча­стоты для различных сочетаний R и С. Расширение частотного диапа­зона путем увеличения емкости С (кривая 2) легко осуществляется включением параллельно преобразователю конденсаторов, однако это приводит к уменьшению выходного напряжения преобразователя. Увеличение сопротивления R приво­дит к расширению частотного диапазона без потери чувствительно­сти, но повысить сопротивление можно только путем улучшения качества изоляции и применения усилителей с высокоомным входом.

Собственное сопротивление пьезоэлемента R₀ определяется удель­ным сопротивлением материала пластин и их поверхностным сопро­тивлением. Первая составляющая, в особенности для кварца (10¹⁵ – 10¹⁶ Ом), как правило, значительно больше второй, поэтому опреде­ляющим является поверхностное сопротивление, для повышения ко­торого до R=10⁹¸10¹⁰ Ом преобразователь приходится герметизировать, защищая его поверхности от влажности и загрязнения.

До недавнего времени измерительные цепи пьезодатчиков выпол­нялись в виде усилителей напряжения с высокоомным входом. В этой цепи используется неинвертирующий усилитель на основе операционного усилителя с входным каскадом на полевом транзисторе. Напряжение, поступающее на вход усилителя, равно:

,

выходное напряжение усилителя

,

где С=С₀+С_К+С₁.

Основным недостатком схемы с усилителем напряжения является зависимость выходного напряжения и чувствительности датчика от емкости кабеля С_К (70–150 пФ на каждый метр длины кабеля), кото­рая может существенно изменяться в зависимости от положения ка­беля и таких внешних факторов, как температура и влажность. Ем­кость пьезокварцевого датчика С₀ весьма стабильна, однако не пре­вышает 5–50 пФ. Емкость пьезокерамических пластин может достигать 10³ пФ, однако значение емкости в этом случае менее стабильно, чем для кварцевых пластин, и может изменяться под действием тем­пературы. Для того чтобы уменьшить нестабильность чувствительно­сти, параллельно входу усилителя включается дополнительная ста­бильная емкость C₁, значение которой определяется допустимой по­грешностью чувствительности g_S=(DС₀+DС_К)/(С₀+С_К+С₁). Та­ким образом, входное напряжение усилителя и чувствительность пре­образователя S=U_вх/F при заданной нестабильности емкости опре­деляются допустимой погрешностью.

Выходное напряжение усилителя увеличивается за счет увели­чения его коэффициента усиления k=(1 + R₂/R₁), однако, лишь до известных пределов, так как с ростом коэффициента усиления уси­лителя и уменьшением глубины обратной связи возрастают погреш­ности усилителя.

Важной характеристикой измерительной цепи является постоян­ная времени t = RC. Для измерительной цепи с усилителем напря­жения сопротивление R определяется параллельно соединенными сопротивлениями изоляции датчика, кабеля, входным сопротивле­нием усилителя и сопротивлением R₃. Наиболее высокое входное сопротивление (до 10¹³–10¹⁵ Ом) обеспечивают МДП-транзисторы, однако они имеют значительно более высокий уровень шумов, чем по­левые транзисторы с р-n-переходом; поэтому с высокочувствительными датчиками чаще применяются последние, например транзистор КП303Г, входное сопротивление которого составляет не менее 10¹¹Ом.

Сопротивление R₃ стабилизирует уровень выходного напряже­ния усилителя, определяемый входным током усилителя. Полагая, что входной ток I_вх не превышает 10^-11 А, и допуская уровень постоян­ного напряжения на выходе усилителя до 1 В, можно определить значение R₃»10¹¹Ом.

Анализ отдельных составляющих сопротивления R показывает, что определяющим сопротивлением является, как правило, сопротив­ление поверхностной утечки датчика и значение R обычно не превы­шает 10⁹ Ом. Таким образом, даже при емкости С = 1000 пФ постоян­ная времени t£ 1 с.

В настоящее время наряду с усилителями напряжения с пьезо­электрическими датчиками применяются также преобразователи за­ряда в напряжение, называемые усилителями заряда.

Основным достоинством схемы является независимость выходного напряжения от емкости (С₀ + С_К) и возможность увеличения чувствительности при уменьшении емкости С_о.с., однако применять емкости меньше 50–100 пФ, нецелесообразно, так как при этом заметное влияние начинают оказывать паразитные емкости. Вторым достоинством схемы является возможность обеспечения больших постоянных времени. Постоянные времени лучших конденсаторов, определяемые емкостью и сопротивлением изоляции конденсаторов, состав­ляют 10⁴–10⁵ с.

Однако реализовать такую постоянную времени трудно из-за нали­чия входного тока усилителя. Входные токи усилителей лежат в диа­пазоне 10^-11 – 10^-14 А; таким образом, дрейф усилителя по заряду со­ставляет 10–10^-2 пКл/с, что при емкости обратной связи С_о.с.=100 пФ приводит к дрейфу по напряжению 100–0,1 мВ/с. При дрейфе 100 мВ/с усилитель выходит из режима через 10–100 с. Рези­стор обратной связи R_о.с. включается для того, чтобы обеспечить ре­жим работы усилителя. Если допускается смещение нуля в пределах 100 мВ, то при I_вх=10^-11А сопротивление R_о.с. должно быть не больше 10¹⁰ Ом. Реальные постоянные времени датчиков с усилите­лями заряда составляют 10–100 с. Однако уже при таких постоянных времени оказывается возможным проводить квазистатическую градуировку пьезоэлектрических датчиков, что является огромным досто­инством измерительной цепи с усилителем заряда.

Конструкции пьезоэлектрических преобразователей. Достоинствами пьезоэлектрических преобразователей являются малые габариты, простота конструкции, надежность в работе, возможность измерения быстропеременных величин, очень высокая точность преобразования механических напряжений в электрический заряд. Для кварца, кото­рый по своим упругим свойствам близок к идеальному телу, преобра­зование механического напряжения в электрический заряд осущест­вляется с погрешностью 10^-4–10^-6. В последние годы в связи с разви­тием высокоточной электроники появилась возможность реализовать эту точность в широком частотном диапазоне и в измерительных цепях, преобразующих заряд. Таким образом, пьезоэлектрические преобразователи в перспективе являются наиболее точными преобра­зователями для датчиков давлений, ускорений, сил.

На рис. 2-17, а представлена конструкция пьезоэлектрического датчика ускорений. Все элементы датчика крепятся к основанию1,выполненному из титана. Преобразователь 2 состоит из двух вклю­ченных параллельно пьезоэлементов из кварца Х-среза. Инерционная масса 3 для уменьшения габаритов датчика изготовлена из легкообрабатываемого сплава ВНМЗ-2 с высокой плотностью 18 Мг/м³ (18 г/см³). Сигнал с кварцевых пластин снимается при помощи вывода из латунной фольги 4, соединенного с кабелем 6. Кабель крепится к основанию при помощи пайки. Датчик закрывается крышкой 5, навинчиваемой на основание. На основании 1 нарезана резьба для крепления датчика на объекте. Масса датчика 35 г, рабочий диапазон 1–150 м/с².

При конструировании датчика акселерометра одним из основных вопросов является крепление пьезочувствительных пластин к осно­ванию и инерционной массе. Сочленение пластин с основанием и инер­ционной массой в датчике, представленном на рис. 2-17, а, осущест­вляется посредством пайки. К кабелю, соединяющему датчик аксе­лерометра с усилителем, предъявляются следующие требования: большое сопротивление изоляции, малая емкость между жилой и экраном, гибкость и антивибрационность. Последнее означает, что при вибрации кабель не должен наводить на вход усилителя ЭДС, возни­кающую в результате трения изоляции об экран при тряске кабеля. Лучшим является кабель типа АВК-3, его емкость состав­ляет 70–80 пФ/м.

При длинных линиях связи между датчиком и усилителем для уменьшения помехи необходимо симметрирование измерительной цепи. В датчике, показанном на рис. 2-17, а, сопротивления связи между выводами и корпусом резко несимметричны, так как вывод 4 от внутренних пластин изолирован от корпуса, а внешние пластины и вывод от них, которым является экран кабеля, непосредственно сое­динены с корпусом. Для обеспечения симметрии сопротивлений связи датчик выполняется из нечетного числа пластин, соединенных так, как показано на рис. 2-17, б. Сквозь центральные отверстия пластины через изоляторы винтом прижимаются к корпусу. Выводы пластин подключаются к усилителю с симметричным входом.

Для повышения чувствительности датчиков используются пьезоэлементы из пьезокерамики, имеющей пьезомодуль значительно выше по сравнению с кварцем. Пьезоэлемент выполняется в виде ряда параллельно соединенных при помощи металлических прокладок 2 пластин 1 (рис. 2-18, а). В этом случае чувствительность преобразователя определяется

S=d₁₁n(C_вх+nC₀),

где n – число параллельно соединенных пластин; С₀ – емкость одной пластины.

М.И.Субботин предложил ис-пользовать в пьезоэлектрических преобразователях фольгированную с двух сторон пьезоэлектрическую пленку, складывая и после этого запекая ее так, как показано на рис.2-18, б.

Увеличение чувствительности достигается и при использовании поперечного пьезоэффекта, однако в этом случае тонкая пластина, нагружаемая вдоль, может потерять устойчивость. Для повышения устойчивости может быть применена схема нагружения, показанная на рис. 2-18, в. Преобразователь состоит из трех вертикальных пластин Х-среза, все внутренние и все внешние обкладки которых соединены.

Высокую чувствительность имеют также преобразователи с пьезоэлементами, работающими на изгиб. Пьезоэлемент, называемый биморфным, составлен из двух пластин. При действии силы F пьезоэлемент прогибается, верхняя пластина испытывает растяжение, ниж­няя – сжатие и на пластинах наводятся заряды. Пластины в зависи­мости от направления положительных осей в них (оси указаны стрел­ками) могут соединяться как параллельно, так и последовательно, как это и показано на рис. 2-18, г и д; там же даны и знаки зарядов. Кроме этого, в качестве одной из пластин может быть использован не пьезоэлемент, а металлическая накладка такой толщины, чтобы пьезопластина лежала выше нейтрального слоя (рис. 2-18, е).

Для повышения чувствительности используются также пьезоэлементы, работающие на сдвиг. Схематическая конструкция пьезоакселерометра с цилин-дрическим пьезоэлементом, работающим на сдвиг, показана на рис. 2-18, ж.

Выпускаемые в настоящее время фирмой «Брюль и Къер» пьезоакселеро-метры перекрывают диапазон ускорений 2·10^-5–10⁶ м/с². Наиболее высокочастотные акселерометры имеют собственную ча­стоту до 200 кГц при чувствительности 0,004 пКл/(м·с^-2). Наиболее высокочувствительные пьезоакселерометры имеют чувствительность до 1000 пКл/(м·с^-2), но их собственные частоты не превышают 1 кГц.