5. Классификация пьезоэлектрических датчиков

Пьезоэлектрические датчики содержат кристаллы или текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект).

Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кристаллические вещества: кварц, турмалин, ниобат лития, сегнетова соль и др., а также искусственно создаваемые и специально поляризуемые в электрическом поле поликристаллические материалы (пьезокерамики): титанат бария, титанат свинца, цирконат свинца и др.

Пьезоэлектрические датчики можно разделить на два крупных класса в зависимости от физических эффектов, лежащих в их основе.

По разрешающей способности и точности эти устройства во многих случаях превосходят преобразователи, выполненные на других физических принципах.

К первому классу относятся датчики, использующие прямой пьезоэффект. Они используются для измерения линейных и вибрационных ускорений, динамических и квазистатических давлений и усилий, параметров звуковых и ультразвуковых полей и др.

Ко второму, не менее обширному классу пьезодатчиков относятся так называемые резонансные пьезодатчики. В их основе может лежать обратный пьезоэффект (резонансные пьезодатчики на основе пьезоэлектрических резонаторов), а также обратный и прямой пьезоэффекты (резонансные пьезодатчики на основе пьезоэлектрических трансформаторов). Кроме того, в их основе лежат другие физические эффекты (тензочувствительность, акусточувствительность, термочувствительность и др.), что

позволяет использовать их для измерения статических и динамических давлений и усилий, линейных и вибрационных ускорений, концентраций веществ в газах, вязкости, углов наклона и др.

Классификация пьезодатчиков проводиться по следующим

признакам:

1. По применяемому материалу:

– монокристаллические (кварц, ниобат лития и др.);

– поликристаллические (пьезокерамики).

2. По виду колебаний:

– по линейному размеру;

– радиальные;

– изгибные;

– крутильные;

– сдвиговые;

– на поверхностных акустических волнах;

– комбинированные.

3. По виду физических эффектов:

– термочувствительные;

– тензочувствительные;

– акусточувствительные;

– гирочувствительные;

– контактные (использующие контактную жесткость и

фактическую площадь контакта) и т.п.;

– доменно-диссипативные и др.

4. По количеству пьезоэлементов:

– моноэлементные;

– биморфные (симметричные, асимметричные);

– триморфные и т. д.

5. По назначению:

– для измерения статических и динамических давлений и

усилий;

– для измерения линейных ускорений и угловых скоростей;

– для измерения параметров вибраций;

– для измерения параметров удара;

– для измерения звукового давления;

– для измерения влажности;

– для измерения вязкости;

– для гидроакустики;

– в ультразвуковой технологии;

– в электроакустике;

– в устройствах автоматики;

– в электронной технике и радиотехнике;

– в медицине и т.д.

6. Параметры и характеристики пьезокерамических материалов и элементов.

Основными характеристиками пьезокерамических материалов являются:

– коэффициент электромеханической связи;

– относительная диэлектрическая проницаемость;

– удельное объемное электрическое сопротивление;

– плотность;

– водопоглощение;

– пьезомодули в динамическом режиме;

– пьезомодуль в статическом режиме;

– модуль Юнга;

– скорость звука;

– механическая добротность;

– относительное отклонение частоты в интервале рабочих температур от частоты, измеренной при температуре настройки;

– электрическая прочность;

– предел механической прочности при статическом сжатии и изгибе;

– предел механической прочности при статическом растяжении.

Основные характеристики пьезоэлектрических преобразователей:

1. Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности. Эта область ограничена пределами измерений –

наибольшим и наименьшим значением диапазона измерений.

2. Чувствительность S – отношение изменения сигнала на выходе преобразователя ΔY к вызвавшему его изменению измеряемой величины ΔХ: S = ΔY/ΔХ. Различают чувствительности абсолютную S и относительную S0.

3. Порог реагирования (чувствительности) – изменение измеряемой величины, вызывающее наименьшее изменение показаний, обнаруживаемое наблюдателем.

4. Погрешности. При градуировке серии однотипных преобразователей оказывается, что их характеристики несколько отличаются Друг от друга, занимая некоторую

полосу. Поэтому в паспорте измерительного преобразователя приводится некоторая средняя характеристика, называемая номинальной. Разности между номинальной (паспортной) и реальной характеристиками преобразователя рассматриваются как его погрешности.

5. Время установления показаний (время успокоения) – промежуток времени, прошедший с момента изменения измеряемой величины до момента установления показаний.

6. Надежность – способность преобразователя сохранить свои характеристики в определенных пределах в течение установленного интервала времени при заданных условиях эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

Преобразователи, использующие прямой пьезоэффект и применяемые в приборах для измерения параметров механических процессов, в том числе: силы, акустического и быстропеременного давления, линейных и угловых ускорений, а также вибрации, ударов.

Преобразователи, использующие обратный пьезоэффект и применяемые в качестве излучателей ультразвука в гидроакустике и дефектоскопии, преобразователях напряжения в перемещение (пьезодвигатели и пьезореле) 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.

Достоинствами пьезоэлектрических преобразователей являются высокая линейность характеристик, широкие динамические и частотные диапазоны, простота конструкции и высокая надежность при эксплуатации.

За рубежом лидерами в данной области техники являются: PCB Piezotronik JNG, Endevco Corporation, DYTRAN, Sanstard Date contrl - (США), Erich Broza, Rheometron - (Германия), Flopetron, C.F.V. LTD - (Франция), Mullard Ltd, Merles, Motoroia JNG, AVL - (Великобритания), Kistler Instrument AG, Vibro-meter - (Швейцария), Hans List –(Австрия), Bruel & Kjaer (Дания).

Ведущими предприятиями в России по разработке и выпуску пьезоэлектрических преобразователей и датчиков являются НИИ Физических измерений г. Пенза, ЦНИИМАШ г. Королев, НКТБ Пьезоприбор ЮФУ, ООО "Пьезоэлектрик" г. Ростов-на-Дону, ЗАО "Виброприбор", ООО "Актив-Термокуб" г.Екатеринбург, г. Санкт-Петербург[5].

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Пьезоэлектрическое приборостроение: сборник в 3 томах. Т. 3. Богуш М.В. Пьезоэлектрические датчики для экстремальных условий эксплуатации. Ростов-на-Дону. Издательство СКНЦ ВШ, 2006, 346 с: ил.

2. Пьезоэлектрические датчики. В. Шарапов, М. Мусиенко, Е. Шарапова. Москва. Издательство «Техносфера», 2006, 632 с.

3. Электромеханические и магнитные элементы систем автоматики. Ю. М. Келим. Москва. Издательство «Высшая Школа», 1991 г.

9