Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрики являются обратимыми электромеханическими преобразователями, т. е. способны преобразовывать механическую энергию в электрическую и, наоборот, электрическую энергию в механическую. Преобразователи, основанные на использовании прямого пьезоэффекта, называют преобразователями-генераторами; они имеют механический вход и электрический выход. Преобразователи, основанные на использовании обратного пьезоэффекта, называют преобразователями-двигателями; они имеют электрический вход и механические выходы. Известно множество пьезоэлектрических устройств, основанных на использовании как прямого, так и обратного эффектов. Прямой эффект используется, например, в микрофонах, звукоснимателях, датчиках механических сил, перемещений и ускорений, бытовых зажигалках для газа и др. Обратный эффект послужил основой для создания телефонов, громкоговорителей, ультразвуковых излучателей, реле, двигателей и т. п.

Известны и нашли практическое применение пьезоэлектрические преобразователи - пьезоэлектрические трансформаторы (сокращенно пьезотрансформаторы). Схематически устройство пьезотрансформатора изображено на рисунке, поясняющем, что он представляет собой пьезоэлектрический преобразователь в виде четырехполюсника, имеющего только электрические вход и выход.

Пьезоэлектрический трансформатор

Действие пьезотрансформатора основано на использовании как прямого, так и обратного пьезоэффектов. Электрическое напряжение, приложенное к входным электродам пьезотрансформатора, в результате обратного пьезоэффекта вызывает деформацию всего объёма пьезоэлектрика и на выходных электродах возникает электрическое (вторичное) напряжение как следствие прямого пьезоэффекта. В пьезотрансформаторе происходит как бы двойное преобразование энергии - электрической в механическую, а затем механической в электрическую. Как и электромагнитный трансформатор, пьезотрансформатор используют для преобразования электрического напряжения. Подбором размеров электродов и их расположения можно получать различные значения коэффициента трансформации. Пьезотрансформаторы обычно используют в резонансном режиме, при котором достигаются большие значения коэффициента трансформации (порядка нескольких сотен). Пьезотрансформаторы используют в высоковольтных источниках вторичного электропитания.

Рассмотрим в общих чертах явления, происходящие в пьезоэлектрике, для двух случаев пьезоэлектрического преобразования энергии. Пьезоэлемент (ПЭ) - тело из пьезоэлектрика определенных размеров, геометрической формы и ориентации относительно основных кристаллографических осей (или направления поляризации в случае пьезокерамики, имеющее проводящие обкладки (электроды).

Пьезоэлемент:
1 - пластина из пьезоэлектрика;2 - электроды из проводящего матариала, наложенные на грани пластины

Таким образом, пьезоэлемент представляет собой электрический конденсатор с твёрдым (кристаллическим или керамическим) диэлектриком. Особенностью такого конденсатора является наличие пьезоэлектрических свойств у диэлектрика, заполняющего пространство между электродами. Ниже будет показано, какое значение имеет наличие пьезоэффекта и каким образом он оказывает влияние на электрические и механические характеристики пьезоэлемента. Если пьезоэлемент используется как электромеханический преобразователь, то его ориентацию выбирают исходя из требований достижения наибольшего эффекта. Внешние силы (как механические, так и электрические), воздействующий на пьезоэлемент, могут быть как распределенными, так и сосредоточенными. Распределенные силы позволяют достичь более эффективного преобразования. Поэтому для более эффективной поляризации объема пьэзоэлектрика используют электроды,. покрывающие всю площадь граней пьезоэлемента, а для создания равномерно распределенного механического напряжения - накладки из упругого материала, хорошо прилегающие к граням пьезоэлемента и преобразующие внешние сосредоточенные силы в распределенные.

Внешняя сила вызывает деформацию пьезоэлемента, его поляризацию и возникновение на электродах противоположных электрических зарядов. Величина электрического заряда или возникающего при этом напряжения может быть измерена соответствующим измерительным прибором, присоединенным к электродам пьезоэлемента. Внешняя сила сообщает пьезоэлементу энергию в виде упругой деформации, которая может быть рассчитана, если известны величины воздействующей силы и жёсткость пьезоэлемента. Одновременно с деформацией пьезоэлемента на его электродах возникает электрическое напряжение. Следовательно, часть энергии, сообщаемой пьезоэлементу внешней силой, оказывается электрической и её величина может быть рассчитана, если известны электрическое напряжение на электродах и ёмкость пьезоэлемента.

Внешняя механическая сила, воздействующая на пьезоэлемент, сообщает последнему энергию W₀ в виде энергии упругой деформации и энергии заряда ёмкости пьезоэлемента. Если обозначить энергию упругой деформации пьезоэлемента через Wм, а электрическую энергию заряда его ёмкости через Wэ, то полная энергия W₀, сообщенная пьезоэлементу, будет равна их сумме. Как во всяком обратимом преобразователе, при этом возникает обратное действие (пьезоэлектрическая реакция), заключающееся в том, что возникшее вследствие прямого пьезоэффекта электрическое напряжение создаёт (уже в результате обратного пьезоэффекта) механические напряжения и деформации, противодействующие внешним силам. Это проявляется в увеличении жесткости пьезоэлемента. Если электрическое напряжение, возникающее вследствие пьезоэффекта, исключить, например, закоротив электроды пьезоэлемента, то обратного пьезоэлектрического действия наблюдаться не будет, следовательно, должно произойти уменьшение жесткости пьезоэлемента.

Подобные же рассуждения можно сделать и для случая обратного пьезоэффекта, т. е. воздействия на пьезоэлемент внешней электрической силы. При этом внешний источник электрической энергии сообщает пьезоэлементу энергию в виде энергии заряда ёмкости пьезоэлемента и механической энергии его упругой деформации. Здесь также имеет место обратное действие. Если воспрепятствовать деформации жестким зажатием пьезоэлемента, то можно обнаружить изменение его ёмкости. Этот факт легко наблюдается у сильных пьезоэлектриков, для слабых же, таких как кварц, изменение ёмкости невелико (около 1%). К этому выводу легко прийти, приняв во внимание термодинамические соображения. Из теории пьезоэлектричества известно, что упругие коэффициенты пьезоэлектриков зависят от электрических условий, как и их коэффициенты диэлектрических проницаемостей зависят от механических условий. Это естественно, так как пьезоэлектричество по определению предполагает наличие связи между упругими и диэлектрическими свойствами. Поэтому описание пьезоэлектрических свойств материала невозможно без привлечения упругих и диэлектрических коэффициентов с указанием граничных механических и электрических условий.

Более полно пьезоэффект характеризует энергетический коэффициент и, называемый коэффициентом электромеханической связи (ЭМС) и определяемый отношением k = Wэ / W₀ = Wм / W₀, где W₀ - вся приложенная к пьезоэлементу энергия, а Wэ и Wм - преобразованная (электрическая и механическая) энергия. Коэффициент ЭМС оказывается очень полезным для сравнения пьезоэлектриков, пьезоэлектрические, упругие и диэлектрические коэффициенты которых могут сущевенно различаться. Этот коэффициент различен для статического и динамического режимов преобразования, в последнем случае он зависит также от вида и моды колебания. Коэффициент ЭМС, как и пьезоэлектрические модули, зависит от направления воздействующих сил относительно кристаллографических осей кристалла. Он определяет такую существенную характеристику резонатора, как относительная ширина резонансной кривой. Чем больше коэффициент ЭМС, тем больше относительная ширина резонансной кривой. Преобразование энергии пьезоэлектрическим элементом не может быть полным, поэтому коэффициент ЭМС не бывает больше 1. Для так называемых слабых пьезоэлектриков, к которым принадлежат кварц, коэффициент ЭМС не превышает нескольких процентов, для сильных пьезоэлектриков, таких как сегнетова соль или пьезокерамика, он может достигать 50 ...90%.

33. Пневматические преобразователи (датчики) и измерительные системы.

В основе пневматического метода измерения размеров лежит зависимость расхода воздуха через контролируемое отверстие или зазор между торцом измерительного сопла и поверхностью контролируемой детали от величины этого зазора или площади поперечного сечения отверстия.

По способу измерения расхода воздуха все пневматические измерительные устройства делятся на устройства, в которых измеряется изменение давления (манометрические), и устройства, измеряющие изменение скорости воздушного потока (ротаметры). Большинство пневматических измерительных устройств принадлежит к первой группе.

Весовой расход воздуха через измерительный зазор устройства зависит от избыточного давления и площади проходного сечения зазора:

, (III.33)

где р — избыточное давление воздуха; f₂ - площадь поперечного сечения выходного зазора (отверстия).

Давление воздуха, подводимого к пневматической измерительной cистеме, должно быть постоянным, тогда расход воздуха будет зависеть только от изменения измеряемой величины.

Принципиальные схемы пневматических измерительных устройств c измерением давления изображены на рис. III.12. Воздух под поcтоянным давлением Н = const подается по трубопроводу 2 через входное сопло 1 в измерительную камеру 4 и вытекает из нее в атмосферу через выходное, или измерительное, сопло 5, которое в первой схеме (рис. III.12, а) является отверстием контролируемого жиклера. Измерительное давление h в камере 4 определяется соотношением площадей проходных сечений входного f₁ и измерительного f₂ сопел и давлением H на входе:

, (III.34)

где a ₁ — коэффициент расхода входного сопла; a ₂ — коэффициент расхода измерительного сопла.

Считая a ₂/a _{1 »} 1, получим

. (III.35)

При H = const и f₁ = const измерительное давление h = j ₁/f₂), т. е. оно является функцией переменной площади проходного сечения контролируемого жиклера 5. Давление отсчитывается по манометру 3, подключенному к камере 4. Если против измерительного сопла 5 расположена поверхность контролируемой детали 6 (рис. III.12, б), то площадью проходного сечения будет площадь кольцевого зазора между торцом измерительного сопла и поверхностью контролируемой детали

,

где d₂ — внутренний диаметр измерительного сопла; z — измерительный зазор — зазор между торцом измерительного сопла и контроли

руемой деталью, величина которого определяет отклонение действительного размера l детали. В этом случае

. (III.36)

Графически эта зависимость изображена на рис. III.12, в, ее называют статической характеристикой пневматического измерительного устройства.

Крутизна (тангенс угла, наклона) кривой, т. е. производная от функции j ₁(z) по z, является передаточным отношением устройства

, (III.37)

которое характеризует изменение измерительного давления h при изменении измерительного зазора на определенную величину.

Обычно для работы пневматических измерительных устройств используется часть характеристики, близкая к прямолинейной с максимальной крутизной, ограниченная точками 1 и 2. Тогда отрезок по оси абсцисс z₂ — z₁ определяет предел измерения системы. Предел измерения и крутизна прямолинейного участка характеристики пневматического измерительного устройства с измерением давления зависят в основном от диаметров входных и измерительных сопел и в меньшей степени от рабочего давления Н. С увеличением диаметра входного сопла d₁ при d₂ = const и Н = const предел измерения увеличивается и передаточное отношение падает. Таким образом, предел измерения и передаточное отношение пневматического измерительного устройства c измерением давления могут изменяться в широких пределах сменой сопел.

Максимальный зазор, при котором теоретически сохраняется, зависимость h от z, определяется неравенством

, (III.38)

следовательно, z_max = 0,25 d₂.

Пневматические дифференциальные сильфонные датчики конструкции БВ (мод. 235) серийно выпускаются заводом “Калибр” рис. III.13). Чувствительным элементом этих датчиков являются сильфоны (металлические гофрированные пружины) 1 и 8. Внутренние торцы сильфонов заделаны в воздухораспределителе 7 датчика, жестко закрепленном в его корпусе 14, внешние об-фазуют подвижную систему датчика, будучи связаны тягами 12, заделанными в пластинах 13, которые подвешены к корпусу 14 на плоских пружинах 11. Очищенный воздух стабилизированного давления Н подается по каналу 21 к входным соплам 5 и вступает далее в сильфоны 1 и 8. При работе по дифференциальной схеме к обоим каналам 10 и 2 присоединяется измерительная оснастка, с помощью которой определяются отклонения контродируемых размеров.

Рис. III.13. Схема дифференциального сильфонного датчика БВ

При работе по схеме с противодавлением канал 2 заглушается и к сильфону 1 подключается узел противодавления 4, измерительная оснастка — к каналу 10 и сильфону 8. Разность рвлений в сильфонах 1 и 8 приводит к перемещению их внешних торцов и всей подвижной системы. На тяге 12 крепится поводок 15, связанный с рычажно-зубчатой передачей 16, 20 и стрелкой 17 показывающего устройства. Волосок 19 устраняет мертвый ход в зубчатой передаче. С подвижной системой датчика связаны пластины 6 с электрическими подвижными контактами. Неподвижные регулируемые контакты 3 закреплены в корпусе 14. При достижении предельных размеров детали подвижная система датчика замыкает соответствующую пару контактов. Отсчет действительных размеров производится по шкале 18 датчика. Ход сильфонов ограничен упорами 9. В этом датчике установлено шесть контактов; число делений шкалы ±40, рабочее давление (1 ¸ 2) 10⁵ н/м². Цена деления зависит от настройки датчика и может изменяться от 0,0002 до 0,002 мм; предельная погрешность прибора ± 10 мм вод. ст.

Рис. III.Самобалансирующийся дифференциальный датчик

В самобалансирующемся пневмоэлектроконтактном мембранном датчике применена дифференциальная самобалансирующаяся пневматическая система нулевого перепада, принципиальная схема которой изображена на рис. III.14, а. Система представляет собой самобалан-сирующийся уравновешенный пневматический мост, работающий следующим образом: очищенный и стабилизированный по давлению воздух поступает к входным соплам 13 и 14 системы и далее в измерительную 15 и компенсационную 11 камеры, которые разделены мембраной 12. На мембране закреплена коническая игла 10, которая во время перемещения изменяет площадь проходного сечения компенсационного сопла 9. Измерительное сопло 2 связано с измерительной камерой 15. При данном измерительном зазоре z мембрана 12 занимает такое положение, при котором расход через измерительное сопло 2 системы равен расходу через зазор между конической иглой 10 и соплом 9. В этом случае давления в камерах 15 и 11 равны.

Колебание размера детали 1 вызывает изменение измерительного зазора z и давления в измерительной камере 15. При этом равенство давлений в камерах нарушается и мембрана 12 вместе с конической иглой 10 начинает перемещаться в направлении равнодействующей до тех пор, пока давление в компенсационной камере не станет равным величине давления в измерительной камере. Величина перемещения мембраны и конической иглы пропорциональна величине изменения размера контролируемой детали (измерительного зазора z), оно измеряется с помощью индикатора 6 часового типа, измерительный стержень 7 которого опирается через промежуточный штифт 3 на коническую иглу. Штифт 3 несет контактную пластину 4, на которой расположены подвижные контакты 8 датчика. В верхней крышке датчика закреплены настроечные винты 5 с регулируемыми контактами.

Чувствительность самобалансирующейся системы при заданном диаметре измерительного сопла и равных диаметрах входных сопел зрависит только от угла конуса иглы 10 и не зависит от величины зазора.

Системы, основанные на принципе самобалансирующегося моста, имеют более высокую точность, чем устройства с чувствительными упругими элементами (трубки Бурдона, сильфоны и др.), так как явления упругого последействия и гистерезиса этих элементов вносят дополнительные погрешности в результаты измерений. Передаточное отношение системы может меняться в широких пределах путем изменения угла конуса иглы компенсационного клапана. Время срабатывания (инерционность) приборов, основанных на принципе самобалансирующегося моста, значительно меньше, чем других приборов с измерением давления благодаря возможности работы на больших измерительных зазорах и малому объему камеры. Из-за нулевого перепада давлений и мостовой схемы нестабильность рабочего давления оказывает незначительное влияние на погрешность прибора. Неравномерность распределения зазоров при двухсопловой измерительной оснастке (калибр — пробка и др.) в меньшей мере сказывается на погрешности измерений, чем в других дифференциальных пневматических устройствах.

Конструкция приборов и датчиков проста и технологична. Существуют две модификации датчиков мод. 244 и 245, выпущенных заводом “Калибр”. Они различаются числом контактных пар. Первый имеет три, а второй — шесть контактов.

Статическая характеристика датчика мод. 244 с_ценой деления i = 0,5 мкм, исследованного в МАМИ, изображена на рис. III.14, б. Датчик имеет прямолинейный участок характеристики при z_max = 140, z_min = 75 мкм и z_ср = 107,5 мкм при пределе измерения 65 мкм. По оси ординат графика отложены деления n шкалы прибора; а по оси абсцисс — зазор z.

Одним из основных условий надежной работы пневматических измерительных устройств является обеспечение их тщательно очищенным сжатым воздухом постоянного давления. Источником питания служит, как правило, заводская пневматическая сеть, реже применяются индивидуальные компрессоры. Воздух, поступающий от источников питания, содержит большое количество пыли, частицы и пары влаги и масла.

Фильтры разнообразных конструкций очищают воздух, поступающий в пневматические приборы, от влаги, масла и пыли, предохраняя входные и измерительные сопла, а также регуляторы противодавления от засорения. Завод “Калибр” серийно выпускает фильтр мод. ТФ-17-11, разработанный БВ и КБ завода. Расход воздуха через фильтр при давлении в сети 3 10⁵ н/м² составляет 8 м³/ч, величина твёрдых частиц в воздухе после фильтрации не превышает 0,2 мкм, габариты фильтра 98 ´ 150 мм, вес его 9,3 н.

Наряду с индивидуальными фильтрами БВ разработаны также групповые фильтры, рассчитанные на очистку воздуха для группы приборов. ОКБ созданы комплексные установки (станции) подготовки воздуха для группы приборов и автоматов [9].

В БВ были проведены широкие исследования точности стабилизаторов давления воздуха. В результате исследований БВ и заводом “Калибр” разработана новая конструкция стабилизатора с усилителем ТФ-17-12.