Электрическая схема замещения при проектировании преобразователей

При проектировании преобразователей на основе пьезоэлектрических резонаторов, знание структуры и параметров их электрической схемы замещения безусловно необходимо.

В качестве примера рассмотрим согласование удаленного пьезоэлектрического излучателя ультразвука с генератором возбуждения.

Схема согласования излучателя приведена на рис.7.

Для простоты общая распределенная емкость соединительного кабеля заменена локальной емкостью Ск.

Из рисунка видно, что в отсутствии индуктивности генератор напряжения возбуждения сильно нагружен паразитными токами İ_К и İэл, не участвующими в генерировании ультразвука.

Общий ток генератора равен

İг = İк + İэл + İмех

Разработчик должен в максимально возможной степени исключить паразитные токи.

Он замечает, что эти токи текут через конденсаторы, и, следовательно, опережают напряжение возбуждения на π/2.

Если он поставит параллельно пьезорезонатору дроссель, то ток через дроссель, напротив, будет отставать от напряжения на те же π/2.

Следовательно, токи направлены в противоположные стороны и при какой-то величине L_др на частоте резонанса они полностью скомпенсируют друг друга.

Генератор будет отдавать только полезный ток İмех, т.е.

İг = İмех

İк = İ_ДР = İэл = 0

Он также замечает, что (С₀ || Ск) и Lдр образуют параллельный колебательный контур, комплексное сопротивление которого на частоте резонанса стремится к бесконечности.

Общий ток через колебательный контур равен нулю.

Индуктивный и емкостный токи в точности компенсируют друг друга.

А так как за излучение отвечает только динамическое сопротивление R, то частота параллельного колебательного контура должна быть равна частоте F_S излучаемого ультразвука.

Таким образом, задача согласования решена разработчиком минимальными средствами – установкой всего одного небольшого дросселя.

Подобное решение использовано, в частности, в выпускаемом сегодня UFM 005, отечественном микропроцессорном ультразвуковом расходомере - счетчике.

Исследование пьезоэлектрического резонатора

3.1. Объект исследования.

Объектом исследования является пьезоэлектрический резонатор (рис.8), представляющий собой диск диаметром 8мм и толщиной 1мм из пьезокерамики ЦТС-19 (цирконат-титанат свинца: PbZrO₃ - PbTiO₃ c модифицирующими добавками).

Емкость С₀ «заторможенного» резонатора составляет ~ 710 пФ.

Для проведения предварительных расчетов и сравнения в дальнейшем полученных результатов с ожидаемыми, необходимо знание основных паспортных характеристик пьезокерамики ЦТС-19.

Таблица 1

Паспортные характеристики пьезокерамики ЦТС-19.

Рабочий диапазон температур, 0С	-60… +200.
Температура потери пьезоэлектрических свойств (точка Кюри), 0С, не менее	+290.
Относительная диэлектрическая проницаемость	1200…1850.
Коэффициент электромеханической связи, не менее	0,40.
Скорость звука, км/с	3,0…3,6
Плотность материала, г/см3	7,3
Модуль упругости (Юнга), Па	(0,55…0,85) 1011.

3.2. Экспериментальный стенд. На рис.9 приведена электрическая схема экспериментального стенда для определения параметров эквивалентной схемы замещения пьезорезонатора методом Р-А.

Все резисторы и переключатели измерительной схемы размещены в экранированном боксе.

Генератор сигналов и измерительные приборы подключены к боксу с помощью коаксиальных кабелей.

Исследуемый резонатор располагается на его боковой стороне в специальном держателе.

Переключатель S₁ при проведении измерений методом Р-А должен быть замкнут.

При разомкнутом переключателе реализуется другой метод – метод переменной электрической нагрузки.

Переключатель S₂ устанавливается в положение 2. В положении 1 пьезорезонатор подключается к измерительному преобразователю, который в данной работе не используется.

При снятии АЧХ напряжение возбуждения U_B пьезорезонатора поддерживается неизменным.

Его величина выбирается в диапазоне 20…40 мВ, но такой, чтобы сигнал был достаточен для стабильной работы частотомера в используемом диапазоне частот.

Напряжение на выходе измерительной схемы зависит от моды колебаний и измеряется в зависимости от частоты на диапазонах 1, 3 или 10 мВ.

Внимание! При подготовке к работе первыми включаются в сеть измерительные приборы и лишь затем генератор сигнала.