3. Устройство пьезодатчиков

Пьезоэлектрические датчики применяются для измерения давления, силы, ускорения. На рис. 2 показано устройство пьезо­электрического датчика давления с двумя кварцевыми пластина­ми. Измеряемое давление действует на мембрану 1, представляю­щую собой дно корпуса датчика. Кварцевые пластины 2 зажаты между металлическими прокладками 3. Средняя прокладка 3 со­единена с выводом 4, проходящим через экранированную втулку 5 из изоляционного материала. Крышка 6 соединяется с корпусом и через шарик 7 передает давление пластинам, благодаря чему изме­ряемое давление распределяется по поверхности кварцевых плас­тин более равномерно. Кварцевые пластины обычно расположены таким образом, что в измерительную схему подается отрицательный потенциал. Положительный потенциал подается на корпус датчика. Для уменьшения утечки зарядов необходима очень качественная изоляция. С этой же целью поверхность кварцевых пластин тщательно полируют. Использование двух (а иногда и больше) пластин повышает выходную ЭДС, поскольку выходные сигналы пластин складываются.

На рис. 3 показан пьезоэлектрический датчик ускорения, ис­пользуемый в виброизмерительной аппаратуре. Пьезоэлемент 1 из титаната бария расположен в корпусе прибора 2 между инерцион­ной массой 3 и подпятником 4. Для увеличения силы, действующей на пьезоэлемент при ускорениях, инерционная масса имеет относи­тельно большие размеры и изготовлена из вольфрама. Пакет из инерционной массы 3, пьезоэлемента 1 и подпятника 4 прижат к основанию корпуса гайкой 5 через сферическую пяту 6, изоляцион­ную прокладку, пружинную шайбу и контактную пластину. Вы­вод сигнала выполнен с помощью специального антивибрационного кабеля. Датчик измеряет ускорения от 0,2 до 200 g. Коэффициент преобразования порядка 8 мВ на 1 g. Минимальная частота вибро­ускорений 5 Гц.

Рис. 2 Пьезоэлектрический Рис. 3 Пьезоэлектрический

датчик давления. датчик ускорен

4. Чувствительность пьезодатчика и требования к измерительной цепи

Пьезоэлектрический датчик подобен электрическому кон­денсатору. Количество электричества q, появившееся под воздейст­вием механической силы, заряжает грани пьезоэлемента и соеди­ненные с ним проводники до напряжения U, определяемого как U=q/C, где С — емкость между проводниками (включая емкость пьезоэлемента). Чувствительность датчика определяется как прира­щение выходного напряжения, соответствующее изменению силы F. При параллельном соединении п пластин их емкость складывается. Чувствительность пьезодатчика в этом случае:

S_д=nK₀/(С_вх + С₀n), (3)

где п— количество пластин; Ко — пьезоэлектрический модуль мате­риала пластины; С_вх — емкость измерительной цепи; С₀ — емкость одной пластины.

Емкость одной пластины датчика толщиной d и площадью s можно определить как емкость плоскопараллельного конденса­тора:

C_o=εε_os/d,

Где ε₀— абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; ε_о=8,85*10^-12 Ф/м. Емкость пьезоэлемента С на практике бывает невелика и выражается в пикофарадах (1 пФ=10^-12 Ф). Выходной сигнал пьезодатчика U=S_ДF, где F — измеряемая сила.

Заряженный до напряжения U конденсатор будет разряжаться через сопротивление датчика R_o и сопротивление измерительной це­пи R_BX. Для уменьшения скорости разряда необходимо стремиться к увеличению постоянной времени цепи разряда Т= (R₀/n + R_вх)x Х(пС₀ + С_вх). При практически реализуемых значениях сопротив­ления датчика R_o (десятки и сотни МОм) и его емкости С₀ (десят­ки пФ) надо обеспечить очень большое входное сопротивление измерительной цепи. Для этого используются специальные электрон­ные лампы, называемые электрометрическими. Электрометрические схемы могут обеспечить входное сопротивление измерительной це­пи до 10¹³ Ом. Для увеличения постоянной времени разряда парал­лельно датчику иногда включают конденсатор. Применение измери­тельных цепей с очень большим входным сопротивлением позволяет снизить нижнюю границу частоты входных сигналов до нескольких герц.

При измерении высокочастотных (быстроизменяющихся) удар­ных нагрузок и ускорений пьезоэлектрические датчики имеют преи­мущество перед датчиками других типов.