Principiul de funcționare a traductoarelor piezoelectrice se bazează pe utilizarea efectului piezoelectric direct sau invers. efect piezoelectric direct este capacitatea anumitor materiale pentru a forma sarcini electrice pe suprafața sub sarcina mecanică este aplicată, schimbarea inversă în stresul mecanic sau dimensiunile geometrice ale probei sub influența unui câmp electric.
Ca materiale piezoelectrice utilizate în mod obișnuit de cuarț material natural, turmalina, precum și ceramică artificial polarizați pe bază de titanat de bariu (VaTiO3), titanat de plumb (PbTiO3) și zirconat de plumb (PbZrO3). Puteți utiliza alte materiale.
piezomodulus Cantitativ piezoelectric estimat kD. stabilirea unei relații între sarcină Q apar și forța aplicată F,
Din piezomaterials cuarț cele mai comune, datorită proprietăților sale piezoelectrice satisfăcătoare, rezistență foarte ridicată, rezistență la efectele temperaturii și a umidității, o rezistență mecanică ridicată. Quartz are neglijabil coeficient de dilatare liniară, modulul său piezoelectric egal cu 2,3 • 10 -12 C / N, este în esență independentă de temperatura la 200 ° C, în intervalul 200-500 ° C, nu se modifică semnificativ, la 573 ° C devine zero, rezistivitate electrică de aproximativ 10 16 ohmi / m, modulul de elasticitate E = 7,7 x 10 Pa brumărel [20, 22, 32].
Piezoceramice reprezintă amestecul compactat produs de recoacere care conține cristale feroelectrice fin divizate. O trăsătură caracteristică este aceea că structura de domeniu feroelectric cu domenii orientate aleatoriu direcții polare. Proprietățile piezoelectrice ale piezoceramice feroelectrice dobândește după polarizare într-un câmp electric.
Rezistența mecanică a ceramicii piezoelectrice sunt foarte mari, dar depinde de tehnologia de procesare și de avioane de calitate osculating. modulul piezoelectric, constanta dielectrică și stabilitate depind de alegerea direcției de polarizare, direcția forței F și eliminarea taxa Q.
ceramica piezoelectrice bazate pe niobat de plumb (BNS) și titanat zirconat de plumb (PZT) sunt mai stabile decât titanat de bariu, dar sensibilitatea inferioară a acestora. Astfel, din ceramică piezoelectrică bazată pe titanat de bariu are un punct Curie de 120 ° C la aproximativ 100 piezomoduli × 10 decembrie C / N și ceramica piezoelectrice PZT 19, un punct Curie de 290 ° C și mai mult de două ori mai mare valoare a piezoelectric [14, 22].
Toate piezomaterials naturale au o structură cristalină care definește proprietățile traductoarele. De exemplu, cuarț are o structură cristalină, în care prismă hexagonală se pot distinge. Referitor la acestea axele cristaline împărțite în trei tipuri: o axă longitudinală sau optic Z, care trece prin centrul prismei, axa electrica X care trece prin muchiile prismei în mod normal pe axa cristalului optic (trei) și o axă mecanică sau neutră
Y, normal la fețele cristalului (de asemenea, trei). Element Pezochuvstvitelny este tăiat în mod tipic dintr-o placă de cristal de cuarț pentru a forma (paralelipiped), laturile care sunt paralele cu axele cristaline (ris.9.24 a).
Într-o stare de relaxare în placa toate taxele sunt compensate și este neutră din punct de vedere electric. Dacă placa de cuarț cu o forță F de-a lungul axei X, pe fețele sale perpendiculare pe axa X, având taxe diferite polaritate electrice Q. Valorile acestor impuneri în deformațiile elastice sunt în dependență liniară pe forța aplicată în conformitate cu expresia (9.15). Aceasta se numește efect piezoelectric longitudinal. Valorile de încărcare nu depind de dimensiunile geometrice ale plăcii, și sunt determinate doar de forța F.
Dacă placa este supusă unei comprimări pe axa Y, apoi pe aceeași se confruntă cu acuzații va din nou, dar acum a semnului opus (efect transversal piezoelectric). Valoarea de încărcare transversală devine pzoeffekte egală
unde a și b - dimensiunile de elemente piezo în direcția axelor X și Y. În funcție de direcția de semne de taxe pe marginile plăcii va varia forța F (compresie sau tensiune).
La aplicarea forței F de-a lungul axa Z a efectului piezoelectric nu se observă. placă de cuarț este de asemenea electric neutru când este expus la o uniformă pe toate laturile (de exemplu, presiunea hidrostatică).
Tourmaline (spre deosebire de cuart) nu este doi, ci un plan pezochuvstvitelnuyu perpendicular pe axa optică Z. Datorită acestei caracteristici turmalina poate fi utilizată pentru a măsura presiunea hidrostatică, ceea ce face indispensabil în măsurarea presiunii în lichide.
Structural traductor de presiune piezoelectric este al plăcii piezoelectrice. Pe două dintre fețele sale cu electrozi, care se îndepărtează o încărcare sau tensiunea acoperită. Tensiunea pe plăcile în absența sarcinii
în cazul în care capacitatea traductorului element piezoelectric JV = ESX / a. Aici e - constanta dielectrică a materialului plăcii; S = hb -area se confruntă perpendicular pe axa X; și - grosimea plăcii.
Pentru a crește semnalul de șaibele de plăci transductor adesea companiile piezoceramice, în coloana (Fig. 9.24,6).
Împreună cu convertizoare în care elementul piezoelectric lucrează la compresiune, tensiune, structura aplicată în care elementul funcționează pe îndoire și forfecare (fig. 9.25, ac). Converter, îndoirea, este format din două plăci identice, lipite între ele. Intre ele este o folie metalică. Atunci când o astfel de îndoire membru o placă este prelungită, iar celălalt scurtat. În funcție de circuitul de electrozi de conectare pot fi preparate sau cantitatea de stres (Fig. 9.25, a), sau valoarea taxelor (ris.9.25 b). Convertoare care rulează pe o curbă, mai sensibilă comparativ cu traductoare care operează în compresie. În același timp, ele sunt inferioare acesteia din urmă în putere și interval de frecvență.
Convertor care funcționează la forfecare, este un inel ceramic 1 (fig. 9.25 in), care este lipită pe electrodul interior 3 și este ea însăși lipită electrodului exterior 2. Sub acțiunea deformării forței F de forfecare are loc planuri paralele cu direcția de polarizare. Avantajele unui astfel de traductor, forfecarea constau în absența tarifelor la electrozii de la efectele secundare asupra senzorului.
Sarcina conectat la traductor de ieșire, caracterizat prin rezistorul RH si CH capacitate. depinde de capacitatea cablajului, capacitatea de intrare a amplificatorului și așa mai departe. d.
În cazul traductoarelor de cuarț JV <<СH. а при использовании пьезокерамики, емкостьпьезоэлемента часто сравнима с емкостью нагрузки и даже превышает ее. Эквивалентная схема преобразователя с нагрузкой представлена на рис. 9.26. Для нее можно записать выражение для выходного напряжения
rs unde Rp = RH / (RH + Rp); Rp. JV - rezistența și capacitatea elementului traductor piezoelectric.
expresiile (9.16 Considerând) și (9.17)
La t = 0 (sau p = ¥) tensiunea de sarcină
Dacă forța F este constantă, tensiunea de ieșire scade exponențial la zero (la t = ¥, t. E. La p = 0)
în care UVYH.0 - tensiune de la începutul descărcării; Se - capacitatea echivalentă a traductorului.
Cu cât o rezer constantă de timp, tensiunea mai lent scade, ceea ce este deosebit de important atunci când se măsoară procesele lent în schimbare.
Sensibilitatea traductorul
Pentru a crește sensibilitatea traductorului din n plăci, aranjarea lor în paralel și conectarea unei coloane (Fig. 9.25, b) In acest caz avem
Tensiunea de ieșire este relativ mic, astfel încât, de obicei, trebuie să-l consolideze.
Erori traductoare piezoelectrice, compuse în principal din erori prin variația parametrilor de măsurare (circuitul rezervor CH), eroarea de temperatură cauzată de o modificare a modulului piezoelectric, erorile datorate instalării necorespunzătoare a plăcilor, eroarea datorată sensibilității la forțe care acționează perpendicular pe axa de măsurare a traductorului și eroarea de frecvență . În domeniul de frecvență joasă erorii de frecvență este dată de:
Limita superioară a intervalului de frecvență admisibil este determinată în principal de parametrii mecanici ai traductorului [32]. traductoare piezoelectrice pot fi realizate cu o frecvență naturală f0 = 100 kHz, ceea ce permite măsurarea cantităților mecanice care variază cu frecvența de 7-10 kHz, iar ele sunt elementul portbusteni [29].
Avantajele traductoarelor piezoelectrice trebuie să includă un design simplu, de dimensiuni mici și costuri, fiabilitate ridicată, capacitatea de a măsura cantități care variază rapid. Dezavantaje - sensibilitate redusă de măsurare necorespunzătoare pentru variabilele statice, de mare de intrare a circuitului de măsurare impedanță, nivelul relativ scăzut de ieșire care necesită amplificatoare intermediare.