evtiheeva_n_n__izmerenie_yelektricheskih _i_neyelektricheskih (1024281), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Если к телу, изготовленному иэ пьезокерамики, после обработки его в электрическом поле приложить механическую нагрузку, то под ее действием домены изменяют свою ориентацию и изменяется поляризация вещества, Изменение поляризации вызывает появление заряда на поверхности тела. Тело, изготовленное иэ поляризованной керамики, при воздействии механической силы электризуется так же, как и естественные пьезоэлектрические монокристаллы. Типичной пьезоэлектрической керамикой является титанат бария ВаТ1Оз. Его пьезоэлектрический модуль лежит в пределах дат = 14,35 + 8,35) ° 10 " К/Н; диэлектрическая проницаемость — в пределах е„= 1100+ 1800; тангенс угла диэлектрических потерь, характе. ризующий внутреннее удельное сопротивление, — в пределах 188 = = 0,3 + ЗУо.
Зависимость возникающего заряда от приложенной силы имеет некоторую нелинейность и гнстерезис. Свойства пьезокерамик зависят также от их технологии и поляризующего напряжения. Большинство пьезокерамик обладает достаточной температурной стабильностью. Пьезоэлектрические свойства сохраняются вплоть до температуры Кюри.
Для титаната бария она равна 115 'С. С течением времени параметры пьезокерамики самопроизвольно изменяются. Старение обусловливается измерением ориентации доменов. Изготовление преобразователей иэ пьеэокерамики значительно проще, чем из монокристаллов. Керамические иэделия делаются по технологии, обычной для радиокерамических иэделий (путем прессования или литья под давлением), на керамику наносятся электроды, к электродам привариваются выводные провода. Отличие заключается в электрической обработке. Для поляризации иэделие помещается в электрическое поле напряженностью 10' — 104 В/м.
Принцип действия пьезоэлектрического преобразователя. Действие пьезоэлектрического преобразователя основано на прямом пьезоэффекте. Обычно он представляет собой пластинку, изготовленную из пьезоэлектрического материала, на которой имеются два изолированных друг от друга электрода. В зависимости от вещества, формы преобразователя и ориентации кристаллических осей входной величиной могут быль как силы, производящие деформацию сжатия — растяжения, так и силы, производящие 144 деформацию сдвига.
Последний внд деформации может использоваться в преобразователях, имеющих в качестве входной величины момент силы. Выходной величиной преобразователя является напряжение на электродах (4.82) Е= фС, где 4 — пьезоэлектрический заряц; С вЂ” емкость, образованная электродами. Подставляя (4.80) в (4.82), получим функцию преобразования пьезо.
электрического преобразователя (4.83) Е = пЕ/С Если преобразователь имеет форму плоской пластины, то емкость между его электродами (4.84) С = е ееы78, где ег — опюсительная диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрического вещества; Д вЂ” плошадь электродов; 6 — расстояние между электродами. Подставляя (4.84) в (4.83), получим функцию преобразования преобразователя Е = дЬР/е есД.
(4.85) ЭДС, возникающая на электродах преобразователя, довольно энаытельна — единицы волы. Однако если сила постоянна, то измерить ЭДС трудно, поскольку заряд мал и быстро стекает через входное сопротивление вольтметра. Если же сила переменив, то образуется переменная ЭДС, измерить которую значительно проще.
Если при этом период изменения силы много меньше постоянной времеви, определяемой емкостью преобразователя и сопротивлением утечки заряда, то процесс утечки не влияет на выходное напряжение преобразователя. При синусондальном законе изменения силы (4.86) Е = Е а1пссг т ЭДС изменяется также синусоидально: Е = Е зтпол. (4.87) Измерение переменной силы сводится к измерению переменной ЭДС или напряжения. Схема включения.
Пьезоэлектрический преобразователь является генераторным преобразователем, вырабатывающим ЭДС. Для преобразования ее в приборе имеется вторичный преобразователь, в качестве Е = 1гг/С (4 ) где (4.89) Из схемы 4.22, а следует к/уссс Ц1ССС + <К1<ССС 11<К + Ц1ЬЭС 1 К + Ц1ОК1 1щкс = Е 1 + 1ик <с + с ) (4.90) Выражение (4.90) представляет собой комплексную функцию преобразования эквивалентной схемы пьезоэлектрического преобразователя, подключенного к усилителю. Из него можно определить комплексную чувствительность или комплексный коэффициент передачи К(< ) = <ДЕ = (С~(С+ С,)1(1 ~!(1 +1< )1, (4.91) где т =Я (С+ С|) — постоянная времени.
Могб'ль чувствительности, или просто чувствительность, схемы 8( ) )кч )) = я(с + с )~~ М1 ( )~]. я9с 14б которого может служить вольтметр переменного тока, програцуи. рованный в единицах измеряемой величины. Поскольку вольтметр должен иметь большое входное со- Б противление, используются электронные вольтметры. Упрощенная эквивалентная схе- С,) ма пьезоэлектрического преобразо- вателя, соединенного кабелем с ег вольтметром, представлена на рис. р .4.гг, 4.22,а.
На этой схеме С вЂ” собст- венная емкость преобразователя; Сч — суммарная емкость соединительного кабеля, входной емкости усилителя и других емкостей, шунтирующих вход усилителя; Я— входное сопротивление усилителя. Сопротивления утечки пьезоэлемента и сопротинление утечки кабеля могут рассматриваться на эквивалентной схеме как составляющие сопротивления Я. Входным напряжением усилителя является падение напряжения на сопротивлении Я. Если на преобразователь действует сннусоидальная сила, то, используя символический метод, выражение (4.83) можно переписать в виде Это'выражение показывает зависимость чувствительности от частоты и является частной характеристикой преобразователя, подключенного к усилителю.
График частотной характеристики показан на рис. 4.22, б. Частотная характеристика может быть представлена в виде двух сомножителей ю( ) = ю( ) ( ). (4.93) Первый из них представляет собой чувствительность при очень больших частотах и не зависит от частоты, так как при ш -ь (4.94) Ю(< ) — СУ(С+ С,).
нрФ~)=М(г~~с ванную характеристику. Он показывает относительное изменение чувствительности при изменении частоты. Из (4.92) видно, что 5 = О, при ш = О, т.е. пьезоэлектрические преобразователи неприменимы для измерения статических напряжений. Полученные выражения справедливы на средних и низких частотах, т.е. в тех случаях, когда внутреннее сопротивление пьезоэлемента можно заменить эквивалентной емкостью. Пьезоэлемент обладает некоторой упругостью и массой и является колебательной системой, Резонансные свойства этой системы проявляются на высоких частотах. Резонанс приводит к повышению чувствительности на высоких частотах. При еще большем увеличении частоты чувствительность падает. Погрешность пьезоэлектрического преобразователя.
Рабочей областью частот янляется область, в которой чувствительность остается постоюь ной. Сверху зта область ограничена резонансом пьезоэлемента. Снизу она определяется постоянной времени т. Для улучшения частотных свойств в области нижних частот нужно увеличивать т = Я(С + С~). Для усиления выходного напряжения пьезоэлектрического преобразователя применяют усилители с максимально возможным входным сопротивлением (не менее 10" Ом).
Дальнейшее увеличение постоянной времени может происходить при увеличении С,; для этого вход усилителя шунтируется дополнительным конденсатором. Однако включение этого конденсатора уменьшает чувствительность при больших частотах Б («) и требует увеличения козффипиента усиления усилителя. В схеме, рассмотренной выше, постоянная времени т = Я (С + С,) обычно не превышает 1 с. Использование операционных усилителей с обратными связями позволяет создавать приборы, у которых постоянная времени достигает значений 10 — 100 с.
Верхняя частота рабочего диапазона определяется увеличением чувствительности вследствие механического резонанса. Она довольно вы. сока. Имеются преобразователи с верхней частотой рабочего днапазо. на 80 кГц. 147 В измерительной цепи внешними электромагнитными полями может наводиться паразитная ЭДС, Эта переменная ЭДС создает погрешность. Для защиты от полей измерительная цепь экранируется и датчик соединяется с вторичным преобразователем с помощью экранированного кабеля. Однако нестабильность параметров кабеля, например изменение его емкости, обусловленное изгибом, вызывает изменение чувствитель. ности в соответствия с формулой (4,94) и вносит погрешность. При изгибах кабеля он может расслаиваться. На расслоенных поверхностях вследствие трения образуются электрические заряды.
Перемещение заряженных поверхностей под действием вибрации кабеля приводит к появлению некоторой переменной ЭДС. Погрешность, обусловленная вибрацией кабеля, может быль значительно уменьшена применением специальных антивибрацнонных кабелей. Нестабильность измерительной цепи может быть вызвана повышением влажности воздуха или резким изменением его температуры. При этом происходит увлажнение изоляции, что привощп к уменьшению сопротивления Я в эквивалентной схеме рис.
4.22, а. Изменение Л вызывает изменение чувствительности н дополнительную частотную погрешность. Изменение температуры пьезоэлемента вызывает также изменение его пьезоэлектрического модуля н чувствительности. Наиболее стабильным пьезоэлектрическим материалом является кварц.
Погрешность преобразователя может быть вызвана также несовершенством пьезоэлектрических материалов: гистерезисом характеристики и ее нелинейностью. Если в преобразователе действуют силы, перпендикулярные оси чувствительности пьезоэлемента, то возможна погрешность, обусловленная поперечным пьезоэффектом. 42.б.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
