Acest tip de convertoare se referă la generatorul de subgrup, care se bazează pe efectul piezoelectric - capacitatea unor materiale de a acumula sarcini electrice, ca urmare a stresului mecanic. Cantitatea de sarcină Q este asociată cu o forță F de următoarea relație
unde d - materialul transductor piezomodulus;
F forța aplicată.
Ca material folosit cristale naturale - cuart, turmalina si artificiale - produse de recoacere amestec constând din dopate ferroelectric fin divizat comprimat. Cele mai bune proprietăți în zirconatului tsititanoto-plumb (PZT) și titonata bariu (TIBA) având un modul piezoelectric ridicat și utilizează traductoare la o temperatură
0 250 C. În proiectarea convertorului utilizat în principal trei încărcare schemă piezoelement: tracțiune, compresiune, încovoiere, forfecare.
Frecvența minimă este determinată de starea semnalului reprodus
unde t - timpul constant, t = R C;
R - rezistența la scurgere a vrac și de suprafață conducția element piezoelectric;
C - capacitatea de traductor.
Domeniul de aplicare traductoare piezoelectrice este foarte extinsă.
Converters care utilizează efectul piezoelectric directă (figura 8.1, a) utilizat în instrumente pentru măsurarea forței, presiunii, accelerație. Ei au oferit o rigiditate mare și, în consecință, frecvența naturală ridicată.
Figura 8.1 - Schema de încărcare a traductoarelor
Converters care utilizează efectul piezoelectric invers, sunt folosite ca radiatoare de oscilații ultrasunete în convertoarele de tensiune de deformare, de exemplu, în relee piezoelectrice, actuatoare elemente ale sistemelor automate care se deplasează oglinzile dispozitive optice) de echilibrare invertoare dispozitive și t. D.
Converters care utilizează atât înainte și înapoi efecte piezoelectrice, - piezo rezonator, având un coeficient maxim de conversie a unei forme de energie în alta, la frecvența de rezonanță și scade brusc când deviația coeficientul de conversie de la frecvența de rezonanță, este utilizat ca un filtru care transmite lățime de bandă foarte îngustă.
Piezo rezonator inclus în circuitul de feedback-ul pozitiv al amplificatorului, care lucrează în modul de auto-oscilație, și sunt folosite într-un generator. În funcție de tipul de cristal, tipul tăiat și rezonatorului piezo oscilația excitat poate fi realizată cu o stabilitate ridicată, care nu depinde de factori externi și frecvența naturală cu eigenfrequency controlabile. rezonatoare utilizate în convertoarele de frecvență digitală a diferitelor dispozitive, cum ar fi, de preferință neelectric (temperatură, presiune, accelerație, și așa mai departe. D.) Valorile în frecvență gestionate.
traductoare piezoelectrice sunt utilizate cuarț și diferite tipuri de piezoceramice. Piezoceramice sunt mult mai mari în valoare decât cuarțul, moduli piezoelectrice, dar mai rău elastice proprietăți. Modulul de elasticitate E = materialului piezoceramic (0,65 ... 1,3) 10 -11 Pa. Factorul de calitate determinat doar prin pierderea mecanică este într-un interval de Q = 100 ... 300. Tangenta unghiului de pierderi (atunci când intensitatea câmpului E <25 кВ/м) для большинства пьезокерамических материалов составляет tg (б) = 0,02…0,05. Все материалы обладают пьезоэлектрическими свойствами лишь в определенном температурном диапазоне, граница которого определяется точкой Кюри. Для кварца точка Кюри соответствует температуре 530 °С, для пьезокерамик эти температуры ниже.
Aparate și măsurare a circuitului. În Figura 8.2, arată traductor piezoelectric dispozitiv askhematicheski pentru măsurarea presiunii. Presiunea P măsurată care acționează asupra diafragmei 1, care este un fund al carcasei convertorului. plăci electrod de cuarț externe sunt la pământ, iar căptușeala medie (3 folie de alamă) este izolată în raport cu carcasa de cuarț având o rezistivitate foarte mare. Cuarț Placă X-cut 2 sunt conectate în paralel. Semnalul de pe plăcile de cuarț demontate cablu ecranat 5. Pentru comoditate, ieșirea compus din folia cu conductorul de cablu interior la carcasa convertizorului prevăzut cu o deschidere închisă cu un dop 4.
Figura 8.2 - Dispozitiv traductor piezoelectric
Puterea de ieșire a traductorul este foarte mică, astfel încât ieșirea invertorului trebuie să fie pornit amplificator cu impedanță de intrare mare posibil.
Echivalent de circuit convertor conectat la cablu cu lanțul de măsurare, este prezentată în figura 8.3 b, unde Co - capacitatea dintre fețele piezoelectric (convertor container); capacitate de cablu între conductorul și ecranul, și Cin - - ck capacitatea de intrare a circuitului de măsurare; Ro este convertorul de rezistență; Rk - rezistența izolației cablurilor; RBX - impedanța de intrare a circuitului de măsurare.
Figura 8.3 - Equivalent de circuit convertor
Un circuit echivalent poate fi simplificată de model conform 8.3 b, unde R este rezistența legăturii paralelă a rezistenței Ro. Rk și RBX și capacitatea C = Co + Ck + Cin.
putere sinus
Amplitudinea de tensiune și defazajul între tensiunea și forța măsurată depinde de frecventa:
Din aceste expresii rezultă că tensiunea de la intrarea amplificatorului nu va depinde de frecvență numai la frecvențe înalte # 969;> 1 / (RC) și va fi egală cu
Din această expresie se poate observa că tensiunea de ieșire a convertorului depinde de capacitatea circuitului de intrare. Prin urmare, în cazul în care caracteristicile invertorul este indicat prin sensibilitatea sa de tensiune, trebuie în mod necesar să fie specificate și capacitatea corespunzătoare acestei sensibilitate. În unele cazuri, acesta indică sensibilitatea taxei Sq = q / convertor F și auto-capacitate Co sau tensiune circuit deschis Uhh = D11 · F / C0 și o capacitate de unitate privată. În toate cazurile, știind capacitate totală C, putem calcula tensiunea de ieșire a convertorului.
Pentru a extinde domeniul de frecvență a valorilor măsurate în direcția frecvențelor joase să fie crescută timp de circuit constant # 964; = RC. Extensia benzii de frecvențe prin creșterea capacitance C este realizată cu ușurință prin comutarea condensatorilor în convertor paralel, cu toate acestea, acest lucru duce la o scădere a tensiunii de ieșire a invertorului. Sporirea rezistenței R conduce la extinderea gamei de frecvențe fără pierderi în sensibilitate, dar poate crește doar rezistența prin îmbunătățirea calității și aplicarea amplificatoarelor de izolare cu intrare de înaltă impedanță.
Piezoelement rezistență proprie Ro este determinată plăci de material rezistivitate și rezistența lor suprafață. Prima componentă, în special pentru cuarț (15 octombrie ... 10 16 ohmi), tind să fie semnificativ mai mare decât al doilea, astfel încât factorul determinant este rezistența de suprafață, pentru a crește că la R = 10 luna septembrie ... 10 10 convertor Ohm trebuie etanșate, protejarea suprafeței de umiditate și poluarea.
Până de curând, circuitul de măsurare piezoelectric implementat ca un amplificator de tensiune cu o mare de intrare. Un exemplu de astfel de circuit de măsurare este prezentată în figura 8.4. Acest circuit utilizează un amplificator neinversor pe baza operațională de intrare amplificator FET etapă. Tensiunea furnizată la intrare a amplificatorului este egal cu
tensiunea de ieșire a amplificatorului
Figura 8.4 - măsurarea circuitului sub forma unui amplificator cu intrare ridicată
Principalul dezavantaj cu circuitul amplificator de tensiune este dependenta tensiunii de ieșire și sensibilitatea cablului senzorului otemkosti Ck (70 ... 150 pF pe metru de lungime de cablu), care poate varia considerabil în funcție de poziția cablului și de factori externi, cum ar fi temperatura și umiditatea. Capacitatea unui senzor piezoelectric cu foarte stabil, dar nu mai mult de 5 ... 150 pF. Capacitate plăci piezoceramice pot ajunge la 10 3 pF, dar valoarea capacitance în acest caz este mai puțin stabil decât plăcile de cuarț, și poate varia sub influența temperaturii. Pentru a reduce instabilitatea sensibilității peste amplificator de intrare este inclus mai stabil C1 capacitate, a cărei valoare este determinată de sensibilitatea eroare admisibilă
# 947; S = (# 8710; C0 + # 8710; CK) / (CO + Ch + C1). Astfel, tensiunea de intrare a amplificatorului și traductorul de sensibilitate S = Uin / F eroare admisibilă definită la instabilitatea capacitanță predeterminată.
De exemplu, pentru un senzor piezoelectric format din două plăci paralele, în care admisibile YS sensibilitate eroare = ± 1% și cablu instabilitate capacitanță # 8710; Ck = ± 20 sensibilitate maximă pF este
Tensiunea de ieșire a amplificatorului este crescută prin creșterea factorului de amplificare k ei = (1 + R2 / R1), cu toate acestea, numai până la o anumită limită, deoarece odată cu creșterea câștig amplificator și reducerea erorilor de feedback amplificator crește.
O caracteristică importantă a circuitului de măsurare este o constantă de timp # 964; = RC. Pentru măsurarea circuit cu tensiune amplificator determinat de rezistență R conectată în paralel cu rezistențe ale izolației senzorului și cablu și amplificator impedanta de intrare și rezistența R3. Cea mai mare rezistență de intrare mare (10 13 ... 15 ohmi octombrie) furnizează MIS-tranzistori, cu toate acestea, ele au un nivel semnificativ mai ridicat de zgomot decât FETs cu p-n-joncțiune. Prin urmare, senzori foarte sensibili sunt utilizați mai recent exemplu KP303G tranzistor, rezistența de intrare de cel puțin 11 ohmi octombrie.
rezistență R3 stabilizează tensiunea de ieșire a amplificatorului definit de curentul de intrare amplificator. Presupunând că curentul de intrare Iin nu depășește 10 -11 A, și permițând tensiune DC la ieșirea amplificatorului la 1 V, este posibil să se determine valoarea R3 ≈ 11 octombrie ohmi.
Analiza componentelor individuale ale rezistenței R arată că determinarea rezistenței este de obicei scurgere de suprafață valoarea rezistenței R a senzorului și este de obicei mai puțin de 10 9 Ohm. Astfel, chiar și atunci când capacitatea C = 1000 pF, timpul constant # 964; ≤ 1 secundă.
În prezent, împreună cu amplificatoare de tensiune cu senzori piezoelectrici aplică, de asemenea, o taxă pentru convertoare de tensiune, numite amplificatoare de încărcare.
Design de traductoare piezoelectrice. Avantajele transformatoarelor piezoelectrice sunt dimensiuni mici, design simplu, fiabil în funcționare, posibilitatea de măsurare a cantităților diferite rapid, solicitări mecanice foarte mare precizie de conversie în sarcină electrică. Pentru cuarț, care prin proprietățile sale elastice aproape de corp, ideale de conversie stresul mecanic într-o sarcină electrică este efectuată cu o precizie de 10 până la 10 -4 -6 .... În ultimii ani, în legătură cu dezvoltarea de produse electronice de înaltă precizie au posibilitatea de a realiza această precizie într-o gamă largă de frecvențe și de măsurare circuite care convertesc taxa. Astfel, traductoare piezoelectrice sunt traductoare perspectivă mai precise pentru senzori de presiune, accelerație, forțe.
In Figura 8.5, apredstavlena proiectarea accelerațiilor senzori piezoelectrici. Toate elementele de senzori sunt fixate la o bază din titan. Invertorul 2 este compus din două elemente piezoelectrice conectate în paralel de cuarț X-cut. Masa de inerție 3 pentru a reduce dimensiunea senzorului este fabricat din aliaj ușor de prelucrat VNMZ-2 de înaltă densitate 18 mg / m3 (18 g / cm3). Semnalul de plachetei de cuarț este îndepărtat prin utilizarea ieșirii din folie de alamă 4 conectat la cablul 6. Cablul atașat la bază prin lipire. Senzorul se închide capacul 5 filetat pe bază. Bazat pe 1 filetate pentru montarea senzorului pe subiect. Senzor de greutate 35g, domeniul de funcționare 1 ... 150 m / s 2.
Când senzorul accelerometru proiectarea una dintre principalele probleme este eclise pezochuvstvitelnyh la bază și o masă inerțială. ecliselor cu o bază și o masă inerțială a senzorului (figura 8.5, a) este realizată prin lipire. Pentru cablul de conectare a senzorului accelerometru cu un amplificator trebuie să îndeplinească următoarele cerințe: rezistență de izolație ridicată, capacitate scăzută între conductor și ecran, flexibilitatea și anti-vibrație. Aceasta înseamnă că vibrația cablului nu trebuie să direcționeze la intrarea EMF amplificator care apare ca rezultat al frecării pe ecranul de izolare în timp ce scuturarea cablu. Cel mai bun tip de cablu este AVK-3, capacitatea cablului este de 70 ... 80 pF / m.
Pentru liniile de transmisie lungi între senzor și amplificator pentru a reduce interferența necesară echilibrarea circuitului de măsurare. Sonda (figura 8.5, a), conexiunea de rezistență între bornele și carcasa foarte asimetric, deoarece plăcile de ieșire 4de interioare izolate din carcasă și plăcile exterioare și le transmite mai departe, care este un scut cablu conectat direct la carcasă. Pentru a asigura o simetrie a rezistențelor de racordare ale senzorului este realizată dintr-un număr impar de plăci conectate așa cum se arată în Figura 8.5, b.Skvoz gaura centrală a plăcii este presată prin izolatori cu șurub la carcasă. Concluzii plăcile sunt conectate la un amplificator cu intrare echilibrat.
Figura 8.5 - Schema de proiectare traductoare piezoelectrice pentru măsurarea parametrilor de vibrație
Pentru a mări sensibilitatea senzorului folosind elemente piezoelectrice cu modulul piezoelectric semnificativ mai mare comparativ cu cuart. Elementul piezoelectric este executat ca o serie de paralele conectate prin intermediul unor distanțiere metalice iplastin. În acest caz, sensibilitatea traductor este definit prin formula
unde n - numărul de plăci paralele conectate;
Peste - capacitate de o farfurie.
Sensibilitate ridicată sunt, de asemenea, traductoare cu elemente piezoelectrice care funcționează în îndoire (Figura 8.1, b). Dar ele sunt considerabil inferioare proprietăților mecanice ale convertorului care funcționează în compresie și au o frecvență naturală relativ scăzută.
Piezo numit bimorfă, este compus din două plăci. Forța de acțiune flexes element piezoelectric, placa superioară este supusă la tracțiune, mai mică - compresiune și taxele induse pe plachetă. Plate, în funcție de direcția în care axa pozitivă poate fi conectată atât în paralel și în serie.
În plus, nu ca una dintre plăcile pot fi folosite piezo elementul și banda metalică de această grosime a plăcii piezoceramice situată deasupra stratului neutru.
Pentru a crește sensibilitatea, de asemenea, utilizat pezoelementy la forfecare (figura 8.1 in). Ei au o sensibilitate scăzută latură.
Pentru măsurarea semnalelor lent variabile în comutație de circuit convențional trebuie efectuată condiția t = ¥, ceea ce este imposibil, cu toate acestea, se procedează după cum urmează: Traductor include circuitul oscilator la frecvența de rezonanță a cristalului piezoelectric. La încărcarea traductorul se va schimba frecvența de rezonanță. Pentru a modifica frecvența este evaluată pe cantitatea de sarcină (forță).
Produse în prezent piezoaccelerometers acoperă gama de accelerații de 2 x 10 5 ... 10 6 m / s 2. Majoritatea accelerometre au frecvență naturală ridicată la 200 kHz la 0.004 sensibilitate pC / (m / s -2). Cele mai extrem de sensibil piezoaccelerometers au o sensibilitate de până la 1000 pC / (m / s -2), dar frecvențele lor naturale nu depășesc 1 kHz.
Avantajele traductoare piezoelectrice gamă largă de frecvență, o rezistență mare la vibrații, sensibilitate redusă la câmpuri magnetice, structura simpla, capacitatea de a crea dimensiune transductor mici și greutate.
Dezavantaje: impedanță de ieșire de mare care definește cerințe stricte pentru măsurarea circuitelor și cabluri.