Пьезорезонансные преобразователи

В пьезоэлектрическом резонаторе происходит преобразование электрического напряжения между электродами в деформацию и механическое напряжение в пьезоэлементах, которые вызывают ответную реакцию по выходу в виде зарядов на электродах, возникающих под действием механического напряжения. Обратимость пьезоэлектрического эффекта позволяет выполнить пьезорезонатор в виде двухполюсника, объединяющего системы электрического возбуждения механических колебаний и съёма электрического сигнала. Резонансные явления возникают в результате установления стоячих ультразвуковых волн.

V - скорость

f - частота волны

Е - модуль упругости

p - плотность пьезоэлемента

n – целое число полуволн

- частота стоячих волн

Эквивалентная схема:

С_о – статическая ёмкость пластин граней

L_k – характеризует массу пьезоэлемента

C_k – характеризует податливость пьезоэлемента

R_k – механические потери

m – масса

К²эм – коэффициент электромеханической связи =

F - сила

n – коэффициент податливости

- последовательный резонанс (механический)

- параллельный резонанс (на более высоких частотах)

Например:

для f = 1.5 МГц

Lk = 400мГн; Ck = 0,028 пФ

Сo = 5 пФ; Rk = 35 Ом

добротность Q = 20000 =

Основой пьезорезонансного частотного датчика является пьезорезонатор, частота которого изменяется под действием измеряемой величины. Изменение частоты может происходить:

1) под действием температуры, которая влияет на геометрические размеры, плотность и упругие свойства кварца

2) под действием деформаций изменяется высота, плотность и податливость

3) при присоединении дополнительной массы изменяется высота кварца и удельная плотность, то есть различают термочувствительные, тензочувствительные и массочувствительные датчики. Кроме того, используются датчики и самостоятельно; у таких датчиков, работающих на частоте близкой к резонансу, при изменении акустических потерь изменяется и амплитуда колебаний.

РК483 КА - 500 К

резонатор тип регистр. номер вид частота f = 500 кГц

пьезоэлектрика корпуса

Частота последовательного резонанса при подключении Cs практически не меняется.

Классификация пьезорезонансных датчиков.

По типу основного эффекта, ответственного за модуляцию параметров пьезорезонатора различают:

1. пьезорезонансные датчики (ПРД)

На основе чувствительности к полям различной физической природы, то есть к механическим, тепловым, электромагнитным, оптическим:

а) ПРД на основе тензочувствительных пьезорезонансов, в которых измеряемое воздействие прямо или косвенно создаёт в пьезоэлементе механические деформации.

б) ПРД на основе термочувствительных пьезорезонансов, в этих датчиках измеряемый параметр прямо или косвенно воздействует на среднюю температуру пьезоэлемента.

в) ПРД на основе пьезорезонансов чувствительных к акустической нагрузке и комплексному сопротивлению, в этих устройствах измеряемый параметр моделирует излучение ультразвука с колеблющихся поверхностей пьезоэлемента.

г) ПРД на основе массово-чувствительных пьезорезонансов, использующих зависимость параметров пьезорезонанса от массы вещества, присоединённого к поверхности пьезоэлемента.

2. ПРД на основе чувствительности к изменению геометрии датчика, в котором эквивалентные параметры пьезорезонансов изменяются при взаимном смещении элементов конструкции.

3. ПРД на основе гирочувствительных пьезорезонансов в этих устройствах измеряемым воздействием является частота, например, частота вращения пьезовибратора вокруг оси перпендикулярно плоскости резонансных колебаний, работа гиропреобразователей основана на появлении во вращающемся и, одновременно, колеблющемся с резонансной частотой знакопеременных сил Кориолиса, примерной частотой вращения и изменяющих направление с частотой колебания. Силы Кориолиса порождают дополнительные деформации пьезоэлемента, преобразуемые через пьезоэффект в электрически измеряемое напряжение, с амплитудой, переменной частотой вращения и фазой, соответствующей направлению вращения.