Типы пьезорезонансных датчиков

Тензочувствительность пьезорезонаторов к механическим воздействиям, действующим на кристалл, позволяет использовать их в качестве чувствительных элементов в разного типа датчиков, у которых измеряемые физические величины могут вызывать силовое воздействие на кристалл, его деформацию или физические свойства кристалла. Чаще всего пьезорезонансные датчики используются для измерения усилий, микроперемещений, акустических воздействий, давления, ускорения и др.

Во всяком случае, измеряемая величина изменяет частоту колебаний генератора с пьезоэлектрическим элементом стабилизации частоты.

А) схема дифференциального датчика силы

Измеряемая сила прикладывается к упругому элементу (рис. 7.6). Величина изгиба определяется величиной силы F. На упругом элементе размещаются два пьезорезонатора так, что при изгибе один сжимается, а другой растягивается. Соответственно резонансные частоты изменяются на ±Δf.

Рис. 7.6

Б) схема дифференциального датчика разностного давления

На рис. 7.7 приведена схема дифференциального датчика, воспринимающего разность давлений жидкости или газа (Р₁ – Р₀). Входные преобразователи давлений выполнены в виде сильфонов. Разность растяжений сильфонов передаётся на упругий элемент с пьезорезонаторами, образующими дифференциальную пару.

Рис. 7.7

В) схема тензорезонансного дифференциального датчика ускорения

При ускоренном движении датчика (рис. 7.8), из-за силы инерции, действующей на инертную массу, один пьезорезонатор будет сжиматься, а другой растягиваться.

Рис. 7.8

Глава 8. Вибрационные гиродатчики

Вибрационные гиродатчики предназначены для измерения угловой скорости w. Их работа основана на вращении колеблющихся пьезоэлементов.

Принцип действия

В работе вибрационного гироскопа проявляется силы Кориолиса, когда пьезоэлектрическая пластина вращается, как показано на рис. 8.1.

Рис. 8.1

Пьезоэлектрическая пластина колеблется вдоль оси ОХ таким образом, что её конец перемещается на величину

A(t) = A_msin(ωt). (8.1)

Вращение стержня вокруг оси OZ вызывает ускорение Кориолиса, направленное вдоль оси OY. На расстоянии х от начала координат выделим элемент пластины массой dМ, на который действует сила Кориолиса

dF_y = 2·dM·V_x ·Ω_z (8.2)

где V_x - скорость элемента dM.

С учётом (8.1) скорость колебания конца пластины равна:

V(t) = dA/dt = A_mω_pcos(ω_pt). (8.3)

Если пластина однородна, то скорость колебания элемента определим, как:

,(8.4)

где X_max –координата конца пластины в нейтральном положении. Подставляя (8.4) в (8.2), получим:

(8.5)

Таким образом, сила Кориолиса пропорциональна угловой скорости Ω_Z. Сила F_y производит деформацию пьезоэлемента. Прямой пьезоэлектрический эффект производит разноимённый заряд на поверхностях пластины и соответствующее выходное напряжение U_вых.

Примечание: частота ω в датчике должна поддерживаться с высокой точностью.