Конструктивные принципы построения пьезодатчиков

Достоинствами пьезоэлектрических преобразователей являются их малые габариты, надежность в работе, простота конструкции, возможность измерения переменных, в том числе высокочастотных, величин, очень высокая точность преобразования механических напряжений в электрический сигнал.

Для кварца, который по своим упругим свойствам и структуре близок к идеальному кристаллу, преобразование механического напряжения в электрический заряд осуществляется с относительной погрешностью, лежащей в пределах от одной десятитысячной до одной миллионной. С развитием высокоточной электроники появилась возможность реализовать эту точность в широком частотном диапазоне.

Таким образом, пьезоэлектрические преобразователи являются наиболее точными преобразователями, используемыми для изготовления датчиков давлений, ускорений и сил.

Рис. 3.3. Конструкции пьезоэлектрических датчиков ускорений.

На рис. 3.3 показаны типичные конструкции пьезоэлектрических датчиков ускорений. На рис. 3.3, а показан датчик ускорений, у которого все элементы крепятся к основанию 7, выполненному из титана. Рабочий элемент 2 состоит из двух включенных параллельно пьезопластин из кварца. Для измерения ускорений используется инерционная масса 3. С целью уменьшения габаритов датчика эта инерционная масса изготавливается из обладающего высокой плотностью (18 г/см³), но легкообрабатываемого сплава ВНМЗ-2. Сигнал с кварцевых пластин снимается с помощью выводов от прокладки 4 из латунной фольги. Эти выводы соединяются с кабелем 6. Кабель 6 крепится к основанию 7 с помощью специального разъема. Датчик закрывается крышкой 5, надеваемой (навинчиваемой) на основание 7. На основании 7 имеется цилиндрический выступ с нарезанной на нем резьбой. Он используется для крепления датчика на пластинчатой части контролируемого объекта с помощью навинчивающейся на него гайки. Масса датчика составляет 35 г. Рабочий диапазон измерения ускорений колеблется от 1 до 150 м/с².

В акселерометрах, работающих в условиях больших вибраций, особое значение имеет надежность крепления пьезочувствительных элементов к основанию прибора и к инерционной массе. В конструкции, изображенной на рис. 3.3, я, это крепление осуществляется с помощью пайки. Высокие требования предъявляются также к кабелю, соединяющему датчик акселерометра с последующими элементами измерительной цепи (с усилителем). Эти требования таковы:

• • большое сопротивление изоляции и ее надежность;
• • наличие экранирующей оплетки и малая емкость между проводящей жилой и экранирующей оплеткой;
• • гибкость и антивибрационная стойкость.

Величина распределенной по длине емкости между проводящей жилой и экранирующей оплеткой у современных кабелей, используемых для подключения пьезоэлектрических акселерометров, лежит в пределах 70…80 пФ/м.

Для обеспечения симметричности сопротивления связи пьезодатчик выполняется из нечетного числа пластин, соединенных так, как показано на рис. 3.3, б. Выводы подключаются к измерительному усилителю с симметричным входом.

Для повышения чувствительности пьезодатчиков их можно выполнять в виде батареи пьезоэлементов, соединенных с помощью металлических (фольговых) прокладок, как показано на рис. 3.4, а.

В пьезоэлектрических преобразователях используют также фольгированную с обеих сторон пьезоэлектрическую пленку, складывая ее «гармошкой» и после этого запекая ее, показано на рис. 3.4, б.

Увеличение чувствительности может быть достигнуто и за счет использования поперечного пьезоэффекта. Однако в этом случае тонкая пластинка, нагружаемая вдоль, может потерять устойчивость. Для повышения устойчивости применяется жесткая «коробчатая» конструкция, состоящая из трех вертикальных пластин, у которых внутренние и внешние обкладки соединены между собой. Это показано на рис. 3.4, в.

Высокой чувствительностью обладают пьезопреобразователи, работающие на изгиб. Пьезоэлемент, называемый в этом случае биморфным, состоит из двух пластин. При действии изгибающей силы верхняя пьезопластина испытывает растяжение, а нижняя — сжатие, в результате чего на этих пластинах появляются заряды противоположного знака. Благодаря металлическим накладкам и прокладкам соответствующие напряжения выводятся наружу преобразователя, а дальше могут соединяться в зависи;

Рис. 3.4. Повышение чувствительности пьезодатчиков.

мости от направления в них положительных осей как параллельно (рис. 3.4, г), так и последовательно (рис. 3.4, д).

Вместо одной из пьезопластин может использоваться металлическая накладка существенной толщины, которая для предполагаемой нагрузки выбирается таким образом, чтобы пьезопластина вся оказывалась выше нейтральной линии. Это показано на рис. 3.4, е.

Наконец, для повышения чувствительности используются также пьезоэлементы, работающие на сдвиг. Принципиальная схема конструкции датчика ускорений, использующего цилиндрический пьезоэлемент, работающий на сдвиг, показана на рис. 3.4, ж.