Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем (960722), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Пьезоэлектрические датчики Пьезоэлектрические ДДВ представляют собой преобразователи электрической энергии в механическую (и наоборот). Они состоят из одного или нескольких пьезоэлектрических ЧЭ вЂ” пьезоэлементов, элек1рически и механически связанных между собой в измерительную схему. Каждый пьезоэлемент выполнен в виде кварцевой или керамической пластины и является совмещенным ЧЭ генераторпого типа, способным накапливать электрическую энергию. Поэтому при построении измерительных цепей широко йримсняют схемы последовательного и параллельного соединения пьезоэлементов. При последовательном соединении пьезоэлементов (рис. 4.4, а) напряжение в цепи увеличивается, а суммарная емкость датчика уменьшается пропорционально их числу.
В случае параллельного соединения пьезоэлементов (рис. 4.4, 6) возрастают емкость и заряд датчика; такая схсма подобна зарядовой батарее. Как и конденсатор, пьезоэлемент измеряет переменные внешнис воздействия. В то же время, используя зарядовые усилители и другие специальные устройства, можно измерять и квазистатические нагрузки. Функция преобразования пьезоэлектрического ДДВ в общем случае имеет внд или в первом приближении живых ~ л с~~1с~~ ' где У, Д вЂ” ток, протекающий через пьезоэлемент, и его заряд соответственно; Й вЂ” константа; à — внешняя сила; ʄ— коэффициент преобразования, Пьезоэффект имеет обратимый характер. Поэтому различают механоэлектричсские ДДВ (прямой пьезоэффект), элсктромеханичсскис ДЦВ (обратный пьезоэффект), а также преобразователи, принцип действия которых основан как на прямом, так и на обратном пьезоэффекте.
Первые применяют .:; в приборах для измерения силы, давления, ускорения; вторые — в качестве излучателей ультразвуковых колебаний, в пьезоэлектрических реле и исполнительных элементах автоматических систем; третьи — в качестве пъезорезопаторов и пьезотрансформаторов, а также узкополосных фильтров. 146 4.2.
Дитчики динамически величин в Рис. 4.4. Пьезоэлектрические ДДБ: а, й — схемы последовательного и параллельного соединения ЧЭ соответственно; в — простой пьезодатчик; г — трансформаторный пьезодатчик В большинстве случаев при построении пьезоэлектрических ДДВ используется несколько пьезоэлементов в виде кварцевых пластин, дисков или колец.
Оси симметрии пьезоэлементов ориентированы вдоль осей прямоугольной системы координат и соединены таким образом, чтобы у каждого элемента выходной сигнал был максимальным. У датчиков силы верхний предел измерений определяется площадью нагружаемой поверхности и для промышленных образцов составляет +(2...200) кН. Чувствительность такого датчика определяется типом пьезоэффекта и зависит от пьезоэлектрических коэффициентов ф. Как отмечалось в 2.1.5, матрица пьсзомодулей кварца содержит только пять коэффициентов. Чувствительность пьезоэлемента Х-среза к растяжению-сжатию характеризуется коэффициентом д~ ~, а пьезоэлемента У-среза к сдвигу — коэффициентом Игб.
Следовательно, применяя пьезоэлементы разных срезов можно построить многокомпонентный датчик силы. Метрологические характеристики пьезоэлектрических ДЦВ, как правило, очень высокие. Для них характерна высокая линейность (вследствие высокой жесткости конструкции) и малая зона нечувствительности. Простой пьезоэлектрический ДЦВ (рис. 4.4, в) представляет собой совокупность кварцевых или керамических пластин или колец, установленных соосно. Каждая пластина такого датчика — это пьезоэлемент Х-среза с продольным пьезоэффектом (в этом случае плотность заряда нс зависит от геометрических размеров пластины). В настоящее время выпускают различныс пьсзоксрамичсскис матерна,:,",-::;::: лы, позволяющие конструировать высокочувствительные датчики. Так, .«;:,';.::;:: для дисков из пьсзокерамики ЦТС-19 коэффициент преобразования ~!::,:::; К„=1...5 В(Н. 4. Измерение скороети и динамических факторов где /~ — резонансная частота; 1.з, Нд — соответствснно индуктивность и активное сопротивление датчика.
эквивалентная !48 Существенный недостаток конструкций, представленных на рис. 4.4, а — в, связан с эффектом стекания заряда. Этот эффект, вызывающий постепенное уменьшение сигнала при статических измерениях, приводит к невозможности их использования при длительных измерениях. Действительно, типичный пьезоэлектрический ДЦВ с емкостью Сд — — 100 ГГФ имеет 3 постоянную времени т = 10 с. Следовательно, нижний частотный предел Д„измеряемого силового воздействия составляет 0,73((4,6т) или 1,6 - 10 Гц (см. 1.1). Поэтому при статических измерениях уже через 10 с погрешность датчика превысит 0,1 7~о.
Для устранения эффекта стекания заряда пьезоэлектрические ДДВ строят по схеме трансформатора переменного тока, работающего в зависимости от резонансной частоты в диапазоне 20 Гц ... 200 кГц. Трансформаторный пьезоэлектрический ДЦВ обычно представляет собой Т-образный четырехполюсник и содержит три обкладки — одну общую для входной и выходной цепи и две изолированные. Различают трансформаторные пьезодатчики с продольным, поперечным и продольно-поперечным пьезоэффектом (см. рис. 4.4, ~), направления поляризации показаны на рисунке стрелками. Коэффициент трансформации подобных систем достигает 1000 и более.
Одна из наиболее известных конструкций трансформаторного пьезоэлектрического ДДВ показана на рис. 4.5. Датчик представляет собой два соосных кварцевых ЧЭ с продольным пьезоэффектом, соединен|п,тх последовательно. Каждый ЧЭ выполнен в виде диска диаметром 10 см (см. рис. 4.5, а). Источником питания для первого ЧЭ является переменное напряжение Ц,„; для второго — выходное напряжение первого ЧЭ. Выходное напряжение У „„датчика.
пропорционально коэффициенту трансформации каждого ЧЭ и измеряемой силе (см. рнс. 4.5, б). Рассмотренный пьезоэлектрический ДДВ показана статические и динамические силы до 1 МН. В последние годы в информационных системах все чаще применяют резонаторныс пьезоэлектрические ДЦВ. Их выполняют в виде двухполюсника, объединяющего систему электрического возбуждения механических колебаний с системой съема электрического сигнала. Если частота приложенного напряжения совпадаст с одной из собственных механических частот датчика, возникает резонанс, сопровождающийся резким уменьшением импе- данса и увеличением тока через резонатор. Спектр колебаний определяется размером и конструкцией датчика, а также упругими свойствами материала ЧЭ. Резонансные свойства пьезоэлектрического ДЦВ зависят от его добротности О: 4.2.
Датчики дииамггческих величин 7 Наивысшей добротностью (О = 10 ) обладают резонаторныс пьезоэлектрические ДДВ с ЧЭ из кварца (для сравнения у колебательного контура О =10, у датчика с ЧЭ из керамики О =10 ). Их сопротивление Нд име- 2 з ет два экстремума на частотах резонанса и антирезонанса. ~вых б Рис. 4.5. Трансформаторный пьезоэлектрический ДЦВ фирмы Нев1еп Рас3сагс$ (а) и схема вклгочения его в измерительную цепь (6): 1 — диск иа пьсзоматсриала; 2 — общая обкладка; 3, 4 — входная и выходная обкладки; 5— изолируклдая прокладка Резонаторные пьезоэлектрические ДЦВ обычно включают в измерительные схемы, использующие принципы частотной модуляции сигналов.
При расчете пьезоэлектрических ДЦВ и выборе компонентов измерительной цепи широко используют эквивалентные схемы, учитывающие особешюсти работы прибора, температуру, влажность среды и другие факторы. Простая эквивалеггпигая схема содержит следующие электрические компоненты: пьезоэлемент, обладающий некоторым сопротивлением Кд и емкостью Сд, подводящие провода (обычно коаксиальный кабель) и нагрузку (в качестве которой применяют усилитель напряжения с высокоомным вход;..';:.-':;- .. ным сопротивлением или усилитель заряда). Как отмечалось в 1.1, пьезоэлектрический ДДВ относят к датчикам вто- рого порядка, а значит, его свойства зависят от рабочей частоты и эквива- !~::::::-.четная схема будет различной на разных рабочих частотах.
Наибольшее г,.:":=:.:,'-:":.: распространение получила эквивалентная схема, приведенная на рис. 4.6, а, ~!,-::- где отдельно выделены пьезоэлектрический ДДВ (в виде пьезоэлемента с '!,.-;::;:,:; -кабелем) и усилитель напряжения. Пьезоэлемент является генератором за."=-',, ряда, возникающего под действием приложенной силы и вызывающего ток ~,'.':,'.:"-;: между обкладками. Поэтому на схеме пьезоэлемент представлен источни';:'::;:: ком тока Х = ггДЯг, включенным параллельно кабелю. В пьезоэлектрических .'."-',, ~В обычно используют коаксиальный кабель, который обладает активным ,;::; сопротивлением й, и емкостью С,.
В свою очередь, пьезоэлемент также об- 149 4. Измерение скорости и дииамичееких факторов ладает достаточно высоким активным сопротивлением Лд и емкостью Сд. Схема составлена в предположении, что импеданс датчика на низких частотах и основном определяется сонротивленисм Яд, а па средних и высоких частотах — емкостью Сд, В эквивалентной схеме обычно учитывают сопротивление Кн и емкость С„изоляции, опредсляемые соответственно выражениями 1~~и 1~~д+1~~к' Сд + Ск" На рис. 4,6, 6 представлена зависимость Кн(Т), согласно которой сопротивление изоляции уменьшается на порядок через каждые 33 С.
Ян, МОм 10' 103 10 0 40 80 120 Т,' С а б Рис. 4.6. Эквивалентная схема пьезоэлектрического ДДВ с усилителем напряжения (а) и изменение сопротивления изоляции от температуры (б): / — датчик; 2 — усилитель напряжения Эквивалентная схема усилителя напряжения также представляет собой параллельное соединение активного сопротивления Кн и емкости Си. Таким образом, для эквивалентных сопротивления и емкости измерительной схемы соответственно имеем 1~'1~экв 1~1~и +1~1~н~ Сака = Си+ Си.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
