4. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Пьезоэлектрический преобразователь давления, (рис. V.25, а) в простейшем исполнении состоит из двух пьезопластин 1, между которыми расположен металлический электрод 2, имеющий изолированный вывод 3. Внешние стороны пьезопластин соединены с корпусом. При сжатии сторонах пьезопластин, обращенных к центральному электроду, создаются электрические

заряды одинаковой полярности. Полученная э. д. с. пропорциональна измеряемому давлению. Пьезоэлектрический преобразователь давления хорошо регистрирует быстроменяющееся давление, однако постоянное или медленно меняющееся давление измеряется с повышенной погрешностью вследствие стекания электронов с поверхности пьезопластин. Для иллюстрации принципа действия рассмотрим диаграмму (рис. V.25, б), на которой представлены осциллограммы измеряемого давления и напряжения V, развиваемого преобразователем. Величины смещений и выходного напряжения при постоянном давлении определяются утечкой электронов. Отклонения и определяются инерционностью преобразователя. Рассмотренные искажения сигнала могут быть существенно уменьшены при правильном конструировании прибора.

Рис. V.25. (см. скан) Пьезоэлектрический преобразователь давления а — схема конструкции преобразователя, б — диаграммы

Для того чтобы пьезоэлектрический преобразователь хорошо реагировал на низкочастотные изменения давления, необходимо иметь большую величину постоянной времени Т его электрической цепи. Для этого необходимо повышать либо емкость С, либо сопротивление включенные в электрическую измерительную цепь параллельно пьезопластине. Сопротивление по техническим причинам затруднительно повысить более чем до . При формировании на пьезопластинах заряда напряжение на конденсаторе может быть определено по следующей формуле: . С увеличением возрастает постоянная времени, но при этом величина напряжения соответственно уменьшается. Следовательно, значительное повышение постоянной времени измерительной цепи пьезодатчика за счет увеличения емкости С может привести к необходимости повышения коэффициента усиления усилителя. Чувствительность преобразователя определяется величиной заряда, возникающего на пьезоэлементе при изменении давления на и зависит от площади мембраны и от распределения давления между пьезопластинами и корпусом. Диаметр мембраны определяется конструктивными

размерами и в различных модификациях колеблется от 10 до 30 мм. Усилие, воспринимаемое всей площадью мембраны, не полностью передается пьезопластинам. Общие потери измерительного усилия в пьезоэлектрическом элементе составляют около 30— 50% и зависят от предварительного сжатия пьезопластин, от конструктивного выполнения мембраны и других причин.

В пьезокварцевом элементе зависимость между формируемым электрическим зарядом и вызывающим его усилием имеет линейный характер, который иногда нарушается в результате изменения распределения усилия между столбиком кварцевых пластин и корпусом преобразователя. Это обычно наблюдается при малых нагрузках и объясняется наличием в силовой цепи преобразователя элементов, имеющих переменную жесткость (резьбы, шаровые опоры и т. д.). Значительного улучшения характеристик можно Достичь с помощью предварительного поджатия пьезопластин, величина которого должна составлять примерно 100—200 кг/см. Для создания предварительного поджатия могут быть применены тонкостенные упругие цилиндры или цилиндрические пружины.

В последнее время в пьезопреобразователях стали применяться не только пьезопластины, сжимаемые измеряемым усилием, но и тонкие пьезопластины, наклеенные на мембрану и работающие на изгиб.

Пьезоэффект кварцевой пластины существенно уменьшается при увеличении ее температуры выше определенного предела. Пьезоэлектрическая постоянная кварца мало зависит от температуры примерно до 500° С, но при дальнейшем повышении температуры этот параметр начинает уменьшаться и при 573° С кварц полностью теряет пьезоэлектрические свойства. У других пьезокристаллов при увеличении температуры также происходит значительное снижение пьезоэффекта. Наличие различных тепловых деформаций у деталей преобразователя может в большой степени изменить предварительный натяг пьезопластин и тем самым изменить его чувствительность. Для устранения значительного расширения деталей и создания нормальных температурных условий работы для пластин в случае измерения давления в высокотемпературных средах преобразователь снабжается водяным охлаждением.

Частота собственных колебаний кварцевой пластины в зависимости от ее толщины в мм может быть приблизительно определена по формуле

Толщина применяемых кварцевых дисков редко превышает 4 мм. При этой толщине частота собственных колебаний пластины составляет примерно что определяет очень высокие динамические свойства пьезоэлектрических преобразователей. Однако конструктивное выполнение преобразователя (способ нагружения пьезопластин и способ их закрепления) в значительной степени

изменяет частоту собственных колебаний пьезопластины, причем на частотной характеристике преобразователя может быть несколько максимумов, соответствующих различным резонансным частотам.

Пьезоэлектрические преобразователи давления обладают более высокими динамическими свойствами, чем другие типы преобразователей, что позволяет использовать их для преобразования быстроменяющихся давлений. Для преобразования медленно меняющихся давлений используются пьезоэлектрические датчики, в которых применяется дополнительный пьезоэлемент, работающий в режиме возбуждения. Этот пьезоэлемент расположен последовательно с измерительным пьезоэлементом и производит модуляцию передаваемого на него усилия. Пьезоэлектрические преобразователи без модуляции (нагрузки), мало пригодны для измерения нестационарных давлений, имеющих постоянную составляющую. В этом случае заряд, появившийся на пьезокварцевых пластинах под действием постоянной составляющей, через некоторое время стекает, и преобразователь будет реагировать только на переменную составляющую.

Как отмечалось выше, для измерения давлений в открытых газовых и жидких средах используются бескорпусные пьезоэлектрические преобразователи. На рис. V.16 показан бескорпусный пьезопреобразователь, в котором применены четыре пьезопластины, соединенные параллельно. В качестве пьезопластин использованы диски из турмалина диаметром 12 мм, плоские поверхности 4 которых покрыты серебром, а цилиндрические — слоем изоляции 3. Четыре пьезоэлемента 1 соединены попарно одноименными полюсами, и каждая пара пьезоэлементов одноименными полюсами присоединена к центральной несущей пластине 2. При этом пьезоэлементы расположены вплотную друг к другу и к центральной пластине. Несущая пластина прикреплена к металлической трубке, внутри которой проходит коаксиальный кабель, соединенный с выводом от пьезоэлементов.

После сборки и монтажа элементы покрываются специальной резиновой массой, которая после застывания полностью герметизирует их. Преобразователь рассчитан на измерение давлений, имеющих амплитуды до . Диаметр пьезопластин выбирается в зависимости от конкретных условий измерения, но при уменьшении размеров уменьшается чувствительность преобразователя.

Магнитострикционные преобразователи. В устройствах этой группы используется эффект изменения магнитной проницаемости сердечника катушки в зависимости от его деформации. У такого преобразователя на сердечнике располагаются две обмотки: намагничивающая и измерительная. Через намагничивающую обмотку пропускают постоянный ток для создания постоянного магнитного потока в сердечнике. При приложении давления к сердечнику изменяется коэффициент его магнитной проницаемости, а во второй обмотке из-за изменения величины магнитного потока индуцируется

э. д. с. Верхний предел частотного диапазона такого устройства несколько выше, чем в случае применения переменного намагничивающего напряжения.

Для изготовления сердечников магнитострикционных (магнитоупругих) преобразователей в основном применяются железоникелевые сплавы (пермаллой), у которых эффект магнитоупругости сравнительно велик. На магнитную проницаемость материала сердечника большое влияние оказывает температура, поэтому при измерении давления в средах с переменной температурой преобразователи должны выполняться по компенсационной схеме или снабжаться охлаждающими устройствами, поддерживающими постоянную температуру магнитного элемента. Недостатком магнитострикционных преобразователей является возрастание влияния магнитного гистерезиса с ростом частоты измеряемых пульсаций, ввиду этого рассматриваемые устройства имеют сравнительно низкий верхний предел частотного диапазона. Недостатком данных устройств является также то, что они в большинстве случаев имеют нелинейную характеристику.