Пьезоэлектрические измерительные преобразователи

Пьезоэлектрические преобразователи — это устройства, использующие пьезоэлектрический эффект в кристаллах, керамике или плёнках и преобразующие механическую энергию в электрическую и наоборот.

Прямой пьезоэлектрический эффект – заключается в возникновении электрических зарядов на гранях пьезоэлектрика при возникновении в нем механических напряжений, которые могут быть созданы воздействием механической силы. При устранении силы заряды исчезают. Обратный пьезоэлектрический эффект проявляется в том, что пьезоэлектрик, помещенный в электрическое поле, изменяет свои геометрические размеры.

Исходя из физического принципа действия, все пьезоэлектрические преобразователи делятся на три группы:

Преобразователи, использующие прямой пьезоэффект и применяемые в приборах для измерения параметров механических процессов, в том числе: силы, вибрации, ударов.

Преобразователи, использующие обратный пьезоэффект и применяемые в качестве излучателей ультразвука в гидроакустике и дефектоскопии, преобразователях напряжения в перемещение для юстировки зеркал оптических приборов и исполнительных элементов систем автоматики.

Преобразователи параметрического типа, использующие одновременно прямой и обратный пьезоэффекты - пьезоэлектрические резонаторы, наиболее эффективно излучающие и принимающие энергию на фиксированной резонансной частоте. Пьезорезонаторы применяются в полосовых фильтрах, линиях задержки, преобразователях перемещения или присоединенной массы в частоту для датчиков уровня, плотности и др.

Чувствительный элемент пьезоэлектрического преобразователя обычно представляет собой пластинку, изготовленную из пьезоэлектрического материала, на которой имеются два изолированных друг от друга электрода.

Принцип действия: Сила F прикладывается вдоль электрической оси. Заряд Q, возникающий на гранях пластин, пропорционален приложенной силе F.

Следовательно, выходной сигнал имеет вид:

d11 – пьезоэлектрическая постоянная

Напряжение на электродах преобразователя может достигать единиц вольт, но заряд (и соответственно напряжение), возникающий на гранях чувствительного элемента пьезоэлектрического ПИП, будет сохраняться только в том случае, если не будет токов утечки. Так как это условие практически невыполнимо, то заряд необходимо периодически восполнять. Это возможно при действии переменной силы. Поэтому пьезоэлектрические преобразователи применяются только для измерения динамических величин.

Основными составляющими погрешности являются:

1) погрешность, обусловленная нестабильностью параметров измерительной цепи, в частности емкости;

2) температурная погрешность, обусловленная изменением чувствительности за счет температурного изменения пьезомодуля d, емкости СЭ и размеров пьезоэлемента;

3) погрешность, вызванная чувствительностью к силам, действующим перпендикулярно измерительной оси преобразователя;

4) погрешность градуировки;

5) погрешность, обусловленная гистерезисом и нелинейностью характеристики материала чувствительного элемента.

В качестве измерительной цепи пьезоэлектрических датчиков может использоваться усилитель напряжения с очень большим входным импедансом. Обычно усилитель располагается на некотором расстоянии от датчика и соединяется с ним с помощью кабеля.

Выходное напряжение и чувствительность датчика с усилителем напряжения зависят от емкости кабеля (емкость кабеля может составлять 70–150 пФ на каждый метр длины кабеля). Изменение емкости кабеля при изменении внешних факторов, например температуры и влажности, приводит к погрешности. Для уменьшения влияния емкости кабеля параллельно входу усилителя включается дополнительная, стабильная емкость С1, значение которой определяется допустимой погрешностью чувствительности.

Кроме этого, при работе необходимо учитывать так называемый кабельный эффект. При вибрации кабель наводит на вход усилителя ЭДС, возникающую в результате трения изоляции при тряске об экран. Для уменьшения этой погрешности применяются специальные антивибрационные кабели.

Достоинствами пьезоэлектрических ИП являются малые габариты, простота конструкции, высокая надежность, возможность измерять быстропеременные процессы, высокая точность преобразования механических напряжений в электрический заряд.

К недостаткам следует отнести невозможность измерять статические величины, наличие нелинейности и гистерезиса, трудность градуировки, сложность экранировки и защиты от помех и наводок, необходимость в качественных усилителях.