Piezoelektromos 1
Ez a fajta átalakító utal az alcsoport generátor, amely alapján a piezoelektromos hatás - képes bizonyos anyagok felhalmozódnak elektromos töltések következtében mechanikai behatásoktól. A mennyiség Q töltésű jár egy F erő a következő összefüggéssel
ahol d - piezomodulus érzékelő anyaga;
F alkalmazott erő.
Mint egy használt anyag természetes kristályok - kvarc, turmalin és mesterséges - termékek hőkezelési préselt keverékéből álló finom eloszlású ferroelektromos adalékolt. A legjobb tulajdonságokat tsititanoto-ólom-cirkonát (PZT) és bárium titonata (TIBA), amelynek nagy piezoelektromos modulusz és alkalmaz átalakítók hőmérsékletre
0 250 C. A design a konverter főleg három berakodási rendszer piezoelemet: húzó, nyomó, hajlító, nyíró.
Minimális frekvencia határozza meg a reprodukált jel állapotát
ahol t - a időállandó, t = R C;
R - ellenállás szivárgás a tömb és felületi vezetési piezoelektromos elem;
C - kapacitása a jelátalakító.
Köre piezoelektromos igen széles.
Átalakító, hogy a közvetlen piezoelektromos hatás (8.1 ábra, a) használt műszerek erő, nyomás, gyorsulás. Ezek biztosították a nagy merevség, és ennek következtében magas természetes frekvencia.
8.1 ábra - reakcióvázlat berakodási a jelátalakítók
Átalakító, hogy használja a inverz piezoelektromos hatás, használják például a radiátorok az ultrahangos rezgések a feszültség konverterek alakváltozás, például a piezoelektromos relék, hengerek elemei automatikus rendszerek melyek következtében a tükrök optikai eszközök) kiegyensúlyozó inverterek eszközök és t. D.
Átalakító, hogy használja mind előre és hátra piezoelektromos hatás, - piezo rezonátor, amelynek maximális együtthatója konvertáló egyik formája az energia egy másik, a rezonancia frekvenciáján, és rohamosan csökken, ha az átalakítás együttható eltérés a rezonancia frekvencia, a szűrőként használható, amely továbbítja nagyon szűk sávszélességen.
Piezo rezonátor szerepel a pozitív visszacsatoló áramkör az erősítő, dolgozó önálló oszcilláció mód, és használják a generátor. Attól függően, hogy milyen típusú a kristály, a vágás típusát és piezo rezonátor izgatott oszcilláció végezhető nagy stabilitással, amely nem függ a külső tényezőktől, és a természetes frekvencia szabályozható sajátfrekvencia. Kezelt rezonátorok használt frekvencia-digitális átalakítók a különböző eszközök, például, előnyösen a nem-elektromos (hőmérséklet, nyomás, gyorsulás, és így tovább. D.), A értékek gyakorisága.
Piezoelektromos használják kvarc és különböző piezokerámia. Piezokerámia sokkal magasabb érték, mint a kvarc, a piezoelektromos moduli, de rosszabb rugalmas tulajdonságokkal. A rugalmassági modulus E = piezokerámia anyagot (0,65 ... 1,3) 10 -11 Pa. A minőségi tényező határozza csak mechanikai veszteség tartományban Q = 100 ... 300. Tangense veszteségi szög (amikor a E térerősségű <25 кВ/м) для большинства пьезокерамических материалов составляет tg (б) = 0,02…0,05. Все материалы обладают пьезоэлектрическими свойствами лишь в определенном температурном диапазоне, граница которого определяется точкой Кюри. Для кварца точка Кюри соответствует температуре 530 °С, для пьезокерамик эти температуры ниже.
A berendezés és mérési áramkört. A 8.2 ábra mutatja a készülék askhematicheski piezoelektromos nyomás mérésére. A mért nyomás a P ható az 1 membrán, amely egy alsó, a konverter házban. Külső elektród kvarc lemezeket földelt, és az átlagos bélés (3 sárgaréz fólia) van szigetelve a házhoz képest kvarc, amelynek igen nagy a fajlagos ellenállása. Quartz X-cut lemez 2 párhuzamosan vannak kapcsolva. A jel a kvarclemezekkel eltávolítjuk árnyékolt kábel 5. A kényelem, a vegyület kimenet a fólia belső kábelvezetékben a konverter ház látva egy nyílással lezárva dugóval 4.
8.2 ábra - Device piezoelektromos
A kimenő teljesítmény a piezoelektromos nagyon kicsi, így a inverter kimenetét kell kapcsolni erősítő nagy bemeneti impedancia lehetséges.
Egyenértékű átalakító áramkör csatlakozik a kábel a mérési lánc, ábrán mutatjuk be 8.3 b, ahol a Co - közötti kapacitás az arcok a piezoelektromos (átalakító konténer); Ck - kábelkapacitás a vezeték és a képernyőn, és Cin - bemeneti kapacitás mérő áramkör; Ro ellenállása átalakító; Rk - ellenállása kábel szigetelése; RBX - a bemeneti impedancia a mérő áramkör.
8.3 ábra - Equivalent átalakító kör
Egy helyettesítő áramkör lehet egyszerűsíteni minta szerinti 8,3 b, ahol R egyenlő az ellenállás a párhuzamos kapcsolás a rezisztencia Ro. Rk és RBX és kapacitás C = Co + Ck + Cin.
sine teljesítmény
A feszültség amplitúdója, és a fáziseltolás között a feszültség és a mért erő függ a frekvencia:
Ezekből kifejezések az következik, hogy a feszültség a bemeneti erősítő nem függ frekvencia csak a magas frekvenciákon # 969;> 1 / (RC), és egyenlő lesz
Ebből kifejezést látható, hogy a kimeneti feszültség átalakító kapacitásától függ a bemeneti áramkör. Ezért, ha a jellemzői a frekvenciaváltó jelzi annak feszültsége érzékenységét, ott kell szükségszerűen kell határozni, és a kapacitás ennek megfelelő érzékenység. Bizonyos esetekben ez azt jelzi, az érzékenység a felelős Sq = q / F átalakító és önálló kapacitív Co vagy nyitott áramköri feszültség Uhh = d11 · F / C0 és saját meghajtó kapacitása. Minden esetben, ismerve a teljes C kapacitás, ki tudjuk számítani a kimeneti feszültség átalakító.
Ahhoz, hogy kiterjeszti a frekvenciatartományban a mért értékek irányában az alacsony frekvenciákat kell növelni áramkör időállandója # 964; = RC. Extension frekvenciasáv növelésével C kapacitás könnyen megoldható a kapcsolási kondenzátorok párhuzamos átalakító, azonban ez csökkenéséhez vezet a az inverter kimeneti feszültsége. Az ellenállás növelése R vezet bővítése a frekvenciatartomány veszteség nélkül az érzékenység, de csak növeli az ellenállást minőségének javításával és alkalmazása elválasztó erősítők nagy impedanciájú bemenet.
Piezoelemet saját ellenállás Ro határozzuk ellenállású anyagból lemezek és azok felületi ellenállás. Az első komponens, különösen kvarc (október 15 ... 10 16 ohm), általában sokkal nagyobb, mint az utóbbi, tehát meghatározó felületi ellenállása növekednek, ami akár R = szeptember 10 ... 10 10 ohm átalakító esik tömítő, védő felülete a nedvességtől és a szennyezés.
Egészen a közelmúltig, a piezoelektromos mérő áramkör megvalósítása egy feszültség erősítő magas bemeneti. Egy példa egy ilyen mérési áramkör látható az ábrán 8.4. Ez az áramkör nem invertáló erősítő alapján a műveleti erősítő bemeneti fokozat FET. A feszültséget a bemeneti erősítő egyenlő
A kimeneti feszültség az erősítő
Ábra 8.4 - mérő áramkör formájában erősítő magas bemeneti
A fő hátránya a feszültség erősítő áramkör a függőség a kimenő feszültség és a szenzor érzékenységére kábel otemkosti Ck (70 ... 150 pF méterenként kábel hossza), melyek jelentős mértékben eltérhetnek attól függően, hogy a helyzet a kábel és a külső tényezők, mint például a hőmérséklet és a páratartalom. A kapacitás egy piezoelektromos érzékelő nagyon stabil, de nem több, mint 5 ... 150 pF. Kapacitás piezokerámia lapok is elérheti a 10 3 pF, de a kapacitás értéke ebben az esetben kevésbé stabil, mint a kvarc lemezek, és változhat hatása alatt a hőmérséklet. Annak érdekében, hogy csökkentsék a bizonytalanság a érzékenységét a bemeneti erősítőt tartalmazza stabilabb kapacitív C1, amelynek értéke határozza meg a megengedett hiba érzékenysége
# 947; S = (# 8710; C0 + # 8710; CK) / (CO + Ch + C1). Így, a bemeneti feszültség az erősítő és a jeladó S érzékenység = Ube / F megengedett hiba definiált előre meghatározott kapacitív instabilitás.
Például, egy piezoelektromos érzékelőt, amely két párhuzamos lemez, ahol a megengedett hiba érzékenység ys = ± 1% és instabilitást kábel kapacitása # 8710; Ck = ± 20 pF maximális érzékenység
A kimeneti feszültség az erősítő növelése útján fokozott annak erősítési tényező k = (1 + R2 / R1), azonban csak egy bizonyos határt, mivel a növekvő erősítés és csökkentése visszacsatoló hibajel-erősítő növekszik.
Fontos jellemzője a mérési áramkör időállandója # 964; = RC. Mérésére áramkör erősítő feszültség határozza meg az R ellenállás párhuzamosan kapcsolódik ellenállásai az érzékelő szigetelés és a kábel és az erősítő bemeneti impedancia és az ellenállás R3. A legtöbb magas bemeneti ellenállás (10 13 ... 15 október ohm) biztosítja a MIS-tranzisztorok, azonban, hogy van egy lényegesen magasabb szintű zajt, mint FET p-n-csomópont. Ezért rendkívül érzékeny érzékelők újabb példa KP303G tranzisztor, a bemeneti ellenállás nem kevesebb, október 11 ohm.
R3 ellenállás stabilizálja a kimeneti feszültség az erősítő által meghatározott az erősítő bemeneti áram. Feltételezve, hogy a bemeneti áram Ibe nem haladja meg a 10 -11 A, és amely lehetővé teszi a DC feszültséget az erősítő kimenet 1 V, lehetséges meghatározni a értéke R3 ≈ október 11 ohm.
Elemzése az egyes komponensek az R ellenállás azt mutatja, hogy szembeni ellenállás meghatározására általában a felületi szivárgási ellenállás értéke R, az érzékelő és általában kisebb, mint 10 9 Ohm. Így még ha a C kapacitás = 1000 pF, az időállandó # 964; ≤ 1 másodperc.
Jelenleg együtt feszültség erősítők piezoelektromos érzékelők is vonatkoznak díjat feszültségátalakítókhoz úgynevezett töltés erősítők.
Tervezése piezoelektromos átalakítók. Az előnyök a piezoelektromos transzformátorok kis méretek, egyszerű felépítésű, megbízható működésű mérésének lehetőségét gyorsan változó mennyiségű, nagyon magas konverziós precíziós mechanikai igénybevétel elektromos töltés. A kvarc, ami által az elasztikus tulajdonságai közel ideális test, átalakítjuk a mechanikai feszültség egy elektromos töltés végezzük a pontossága legalább 10 -4 10 -6 .... Az elmúlt években, összefüggésben a fejlesztés nagy pontosságú elektronika a lehetőséget, hogy észre ezt a pontosság széles frekvenciatartományt és mérő áramkörök, amelyek átalakítják a díjat. Így piezoelektromos perspektivikus legpontosabb átalakítók nyomásérzékelők, gyorsulás, erő.
Ábrán 8,5, apredstavlena tervezése piezoelektromos érzékelő gyorsulások. Minden érzékelő elemek vannak rögzítve, hogy egy alap titánból. Az inverter 2 áll két párhuzamosan összekapcsolt piezoelektromos elemei X-Cut kvarc. A tehetetlenségi tömeg 3, hogy csökkentsék a méret a szenzor készült könnyen megmunkálható ötvözetből VNMZ-2 nagy sűrűségű 18 mg / m 3 (18 g / cm 3). A jel a kvarc ostyát távolítható el a kimeneti sárgaréz fólia 4 csatlakozik a kábel 6. A kábel csatlakozik az alaphoz, keményforrasztással. Az érzékelő zárja az 5 fedél menetes a bázis. Alapul 1 menetes szereléshez az érzékelő a témában. Tömeg szenzor 35g, az üzemi tartomány 1 ... 150 m / s 2.
Amikor a gyorsulásmérő szenzor tervezése az egyik fő kérdés az pezochuvstvitelnyh rögzítő lemezek, hogy az alap és az inerciális tömege. Artikuláció lemezeket egy bázissal és egy tehetetlen tömege az érzékelő (ábra 8,5, a) végezzük forrasztással. Mert összekötő kábel gyorsulásmérő szenzor erősítővel meg kell felelniük az alábbi követelményeknek: nagy szigetelési ellenállás, alacsony kapacitás között a karmester és a képernyő, a rugalmasság és rezgéscsillapító. Ez azt jelenti, hogy a rezgés a kábel ne irányítsa a bemeneti erősítő EMF fordul elő, hogy ennek eredményeként a súrlódás az árnyékolást rázás közben kábelt. A legjobb típusú kábel AVK-3, a kapacitás a kábel 70 ... 80 pF / m.
A hosszú távvezetékek és az érzékelő közé az erősítő interferencia csökkentése érdekében szükséges kiegyenlítő mérőáramkör. A szonda (ábra 8,5, a), az ellenállás közötti kapcsolat a terminálok és a ház jelentősen aszimmetrikus, mivel kimeneti 4From belső lamellák szigetelve a ház és a külső lemezek és outputként őket, ami egy kábel árnyékolás közvetlenül csatlakozik a házhoz. Annak biztosítása érdekében, szimmetria a kapcsolat ellenállása az érzékelő készült páratlan számú lemez csatlakozik ábra 8.5, b.Skvoz központi lyuk a lemez átpréseljük szigetelők csavar a házhoz. Következtetések lemezeket egy megfelelő erősítőhöz kapcsolva kiegyensúlyozott bemenet.
Ábra 8.5 - A kialakítási vázlattal piezoelektromos átalakítók mérésére rezgési paraméterekkel
Érzékenységének növelése az érzékelő segítségével piezoelektromos elemek, amelynek piezoelektromos modulusú szignifikánsan magasabb, mint a kvarc. A piezoelektromos elem kerül végrehajtásra, mint egy sor párhuzamos-összekötve fémes távtartók iplastin. Ebben az esetben, a jelátalakító érzékenység képlet határozza meg
ahol n - száma párhuzamosan kapcsolt lemezek;
Over - kapacitás egy lemez.
Nagy érzékenység is jelátalakítók piezoelektromos elemek működő hajlító (8.1 ábra, b). De lényegesen gyengébb, mint a mechanikai tulajdonságok az átalakító működő kompressziós és viszonylag alacsony természetes frekvencia.
Piezo úgynevezett bimorf, áll a két lemez. Az akció erő elhajlik piezoelektromos elem, a felső lap megy át, szakító, alacsonyabb - tömörítés és indukált díjakat az ostya. Plate, attól függően, hogy az irányt, amelyben a pozitív tengely lehet csatlakoztatni mind párhuzamosan és sorosan.
Ezen túlmenően, mint az egyik lemez alkalmazható, nem piezo-elem, és a fémszalag ezen vastagság piezokerámia lap felett fekvő a semleges réteg.
Érzékenységének növelésére is használják pezoelementy Shear (8.1 ábra a). Ezek kis érzékenység mellett.
Méréséhez a lassan változó jeleket a hagyományos áramköri kapcsolási kell végezni állapot t = ¥, ami lehetetlen, azonban, a következőképpen kell eljárni: piezoelektromos átalakító magában oszcillátor áramkör a rezonancia frekvenciája a piezoelektromos kristály. Betöltésekor a piezoelektromos átalakítók megváltoztatja a rezonancia frekvencia. Változtatni a frekvenciát ítélik meg az összeget a terhelés (erő).
Készült jelenleg piezoaccelerometers terjed tartományban gyorsulások 2 × 10 5 ... 10 6 m / s 2. A legtöbb gyorsulásmérők magas természetes frekvencia 200 kHz 0,004 érzékenység PC / (m / s -2). A leginkább érzékeny piezoaccelerometers van érzékenysége akár 1000 PC / (m / s -2), de a természetes frekvenciák nem haladja meg az 1 kHz.
Előnyei piezoelektromos átalakítók széles frekvencia tartományban, egy nagy vibráció erejét, alacsony érzékenység a mágneses terek, egyszerű szerkezet, a képesség, hogy hozzon létre a kis átalakító mérete és súlya.
Hátrányai: nagy kimeneti impedancia, amely meghatározza szigorúbb követelményeket mérő áramkörök és kábelek.