19115

Пьезоэлектрические преобразователи, метод электромеханических аналогий

Практическая работа

Физика

Лекция №11. Пьезоэлектрические преобразователи продолжение Так как пьезоэлектрический преобразователь представляет собой электроакустическую систему в которой электрические и механические характеристики взаимосвязаны то используя метод электромеханических ...

Русский

2013-07-11

207.5 KB

67 чел.

Лекция №11.

Пьезоэлектрические преобразователи (продолжение)

Так как пьезоэлектрический преобразователь представляет собой электроакустическую систему, в которой электрические и механические характеристики взаимосвязаны, то, используя  метод электромеханических аналогий, можно сравнительно просто определять характеристики механических систем. Метод электромеханических аналогий  отражают физическое соответствие процессов в механической системе и эквивалентной ей электрической цепи и служит основой для построения эквивалентных схем преобразователей.

Сравним дифференциальное уравнение, описывающее электрическое напряжение в контуре , и уравнение механической колебательной системы (механического осциллятора). Первое уравнение имеет вид:

.                                                              (11.1)

Здесь  – электрическое сопротивление, индуктивность и емкость элементов электрического колебательного контура, соединенных последовательно. Второе уравнение для механического осциллятора часто записывают в виде:

,                                                                (11.2)

где  масса колебательной системы, механическое сопротивление, отражающее потери на трение, упругость осциллятора, смещение под действием силы .

Учитывая, что производная от смещения есть колебательная скорость,

перепишем (11.2) в виде:

.                                                            (11.3)

Здесь  характеризует гибкость (податливость) механической системы.

Очевидно, уравнения (11.1) и (11.3) записываются совершенно одинаково, и с математической точки зрения, нет никакой разницы между электрической и механической системами. Уравнение (11.3) для механической колебательной системы легко получить из уравнения  (11.1), заменив электрические величины  на  .  

Таким образом, введем первую систему  электромеханических аналогий «сила – напряжение, колебательная скорость – ток», и можно составить следующую схему взаимных аналогов:

Получаем, что инерционное сопротивление должно равняться индуктивному сопротивлению:  упругое сопротивление – емкостному:

а механический импеданс – электрическому импедансу:.

Итак, используя систему аналогий, можно электромеханическую систему представить в виде эквивалентной электрической схемы, процедура расчета которой значительно проще.

Эквивалентные схемы пьезопреобразователей. Эквивалентная схема пьезопреобразователя, описывающая продольные или толщинные колебания пьезодатчика в виде стержня или пластины и справедливая в широком интервале частот, может быть представлена в виде шестиполюсника (так называемая схема Редвуда):

Эта схема соответствует наличию у преобразователя двух механических и одной электрической пары зажимов. В режиме излучения   – электрическое напряжение, приложенное к электродам, а в режиме приема – выходное электрическое напряжение преобразователя.   и  – силы, действующие на концах стержня или пластины.  Электромеханический трансформатор с размерным коэффициентом трансформации  (вольт/ньютон) формально отражает взаимовлияние механических и электрических параметров преобразователя. Если преобразователь нагружен только с одной стороны, то сила на другой стороне равна нулю и это отражается замыканием одной пары механических зажимов. Возбуждающая  сила оказывается приложенной ко второй паре и компенсируется инерционной силой колебаний преобразователя.

Значения  параметров схемы для пластины из пьезокерамики  ЦТС, колеблющейся по толщине, равны:

 ,                               (11.4)

где собственная емкость пластины толщиной  и площадью ; характеристический импеданс датчика; плотность материала датчика; скорость продольной волны, определяемая константой упругости  и плотностью материала ; коэффициент трансформации; пьезоэлектрическая константа.

На частотах, близких к резонансным, эквивалентная схема  пьезопреобразователя может быть приведена к виду:

В этой схеме электрический импеданс преобразователя  представлен в виде собственной емкости  пьезопластины и сопротивления диэлектрических потерь , влиянием которого обычно можно пренебречь. Параметр  характеризует потери энергии на излучение в окружающую среду и трение (сопротивление потерь), а параметры  отражают влияние массы преобразователя и его упругой податливости (гибкости) на характер колебаний.

Приведенная схема может быть использована для определения основных пьезоэлектрических и механических характеристик преобразователя.  Вблизи  одной из резонансных частот ненагруженный пьезоэлектрический преобразователь можно представить  в виде двухполюсника, полученного из эквивалентной схемы шестиполюсника, замыканием накоротко обеих пар механических клемм (т.е. полагая  и ):                 

                

Используя эту схему, можно измерить собственную электрическую  емкость датчика  и частоты последовательного и параллельного резонансов цепи:

,                                                    (11.5)

Частоты последовательного и параллельного резонансов, соответствующие максимуму и минимуму полной проводимости цепи, позволяют оценить значения резонансной  и антирезонансной  частот датчика как механической системы.   Используя эти значения, а также измеряя минимальные и максимальные значения импеданса датчика, можно рассчитать пьезоэлектрические константы и коэффициент электромеханической связи. Подробно последовательность измерений и расчетов изучаются студентами в соответствующей лабораторной работе.  

Пьезоэлектрические преобразователи для измерения давлений,  усилий, и ускорений. Простейшее устройство для измерения давлений, усилий,  и ускорений представляет собой пьезоэлектрический преобразователь, конструктивно оформленный в виде корпуса, содержащего пьезоэлемент, который крепится к мембране, воспринимающей внешнее воздействие и выполяющей функцию протектора, защищающего пьезоэлемент от износа. Наружный электрод пьезоэлемента заземляется, а внутренний (сигнальный) изолируется относительно корпуса. Сигнал с помощью экранированного кабеля подается на вход усилителя с большим входным сопротивлением и после усиления регистрируется электронным вольтметром. Эквивалентная схема преобразователя, соединенного кабелем с усилителем, на частотах значительно ниже низшей резонансной частоты пьезоэлемента имеет вид:

        

Здесь  является суммой собственной емкости пьезопластины, емкости соединительного кабеля и входной емкости усилителя. Сопротивление  равно сопротивлению параллельного соединения трех элементов: сопротивления утечки пьезоэлемента, сопротивления изоляции кабеля и входного сопротивления усилителя.

Определим величину сигнала на входе усилителя при воздействии на датчик переменной силы частотой :   .   Учитывая, что электрическая индукция, характеризующая плотность распределения зарядов в пьезоэлементе, связана с величиной механического напряжения соотношением:  , определим величину заряда, генерируемого датчиком при воздействии силы :

                                                           (11.6)

Индексы  и  совпадают с направлением толщины датчика и равны для кварца 1, а для пьезокерамики ЦТС – 3.   Величина тока, протекающего в цепи при воздействии силы  равна:   

.                                        (11.7)

Отсюда:   ,   и амплитуда напряжения зависит от частоты:

                                                                         (11.8)  

Отношение   является амплитудно-частотной характеристикой пьезопреобразователя  или его коэффициентом передачи «напряжение–сила».

Из анализа (11.8) следует, что напряжение на входе усилителя не будет зависеть от частоты только при сравнительно высоких частотах:  . Кроме того, видно, что выходное напряжение  пьезопреобразователя зависит от емкости входной цепи. Поэтому если в характеристиках преобразователя указывается его чувствительность по напряжению, то обязательно должна быть указана и емкость, соответствующая этой чувствительности. Может быть указано напряжение холостого хода  и собственная емкость преобразователя. Для расширения частотного диапазона измеряемых величин в область низких частот, очевидно, следует увеличить постоянную времени цепи .  Увеличение емкости легко осуществить, однако это приводит к уменьшению выходного напряжения преобразователя. Увеличение сопротивления  приводит к расширению частотного диапазона без потери чувствительности, однако этого можно достичь только путем улучшения качества изоляции и применения усилителей с высокоомным  входом.          

4

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

47907. Економіко-правовий зміст інтелектуальної власності 494.5 KB
  Найбільш важливою характеристикою власності є те що власник може використовувати її на свій розсуд і ніхто не має права законним чином використовувати цю власність без його дозволу. Інша справа об'єкт інтелектуальної власності. Що ж розуміють під терміном інтелектуальна власність Інтелектуальна власність ІВ у широкому розумінні означає закріплені законом права на результати інтелектуальної діяльності у виробничій науковій літературній і художній сферах. Майнові особисті немайнові права на результат творчої діяльності...
47908. Інтелектуальна власність 465 KB
  Ці та інші результати розумової праці мають назву об'єкти права інтелектуальної власності або інтелектуальна власність . Після проголошення незалежності України суттєво змінилося відношення до інтелектуальної власності. Якщо за радянських часів виключне право розпоряджатися інтелектуальною власністю належало державі то відтепер воно належить насамперед творцю цієї власності. Одним із феноменальних явищ кінця XX століття є масова поява на ринку нового виду товару інтелектуальної власності.
47909. ПОЛЬЩА У 70 – 80-Х РОКАХ ХХ СТ 164 KB
  Для покриття боргів уряд удався до короткотермінових кредитів що лише відсунуло загрозу банкрутства але не ліквідувало його. Намагаючись послабити тиск на споживчий ринок уряд удався до випробуваної політики затягування поясів . під тиском громадськості уряд прийняв рішення про умовне звільнення учасників червневих подій. А почалося все з рішення уряду ввести комерційні ціни на м'ясо щоб у такий спосіб роздобути кошти для виплати боргів західним країнам.
47910. Соціологія рекламної та ПР-діяльності 458 KB
  СФЕРА ВИРОБНИЦТВА ЯК ФАКТОР ПОЯВИ РЕКЛАМИ План. Розглянемо соціологічні умови появи реклами. Реклама як масове явище не могла виникнути раніше ніж виникли ринок виробника товарів ринок інформаційних засобів розміщення реклами та ринок споживачів рекламованих товарів і послуг – три основних фактори появи реклами як масового явища. Тому зараз коли історія ринку як елемента соціального розвитку налічує вже тисячоліття така рекламна ситуація називається рекламою на місці продажу та визначається лише як специфічна частина масових рекламних...
47911. Біохімічне обгрунтування методики занять фізичною культурою і спортом з особами різного віку та статі 369 KB
  Перше дитинство 47 років 5. Друге дитинство 812 років хлопчики 811 років дівчинки. Підлітковий пубертатний 1316 років хлопчики вік 1215 років дівчатка. Зрілий вік: I період 2235 років чоловіки 2135 років жінки.
47912. ПОНЯТТЯ ТА ПОТЕНЦІЙНІ ЗАГРОЗИ БЕЗПЕЦІ ПІДПРИЄМНИЦЬКОЇ ДІЯЛЬНОСТІ 1.41 MB
  Провідні українські експерти визнають той факт що багаторівнева економіка потребує також різноманітних видів забезпечення економічної фізичної та інших видів безпеки та організації охорони. Це дає можливість вибору для клієнтів аналізу та порівняння різних форм охоронної діяльності і в кінцевому результаті сприяє в цілому підвищенню рівня безпеки підприємницької діяльності в Україні. В умовах збільшення частки приватного капіталу в економіці України розвитку малого та середнього бізнесу а також роздержавлення стратегічних об'єктів...
47913. Призначення випробувань, впливаючі фактори при експлуатації РЕМА і ЕОЗ 1.59 MB
  Призначення випробувань впливаючі фактори при експлуатації РЕМА і ЕОЗ. Слід виділити три групи завдань вирішуваних проведенням випробувань: здобуття емпіричних даних необхідних для проектування апаратури; встановлення відповідності виробу проектним вимогам; визначення граничного стану ЕА. Цілі випробувань не постійні: вони міняються на різних етапах проектування і виготовлення апаратури. Перерахуємо основні цілі випробувань ЕА : Експериментальне підтвердження теоретичних розрахунків прийнятих допущень і гіпотез заданих показників якості...
47914. Сучасний стан охорони праці в Україні. Мета та завдання дисципліни Основи охорони праці 19.12 MB
  Виявити мету та завдання дисципліни Основи охорони праціâ€œ. Визначити правові та організаційні питання охорони праці. Сучасний стан охорони праці в Україні.