|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы При использовании мембраны прочность конструкции повышается и появляется возможность работы в различных, в том числе и агрессивных, средах. Поскольку при этом остается только один активный элемент, то чувствительность такой конструкции ниже, чем конструкции с использованием обыкновенного би-морфа. Частотный диапазон мембранной конструкции относительно невелик. Собственная резонансная частота составляет в среднем 50 кГц. Меньшее применение в акустических датчиках находят конструкции, использующие деформации по толщине (рис. 8.12, б). Акустическая чувствительность таких конструкций где gas - пьезоэлектрический коэффициент; h - толщина пьезоэлемента; s„ и Sn - площади мембраны и пьезоэлемента. Эта конструкция обладает высокой прочностью и более высоким частотным диапазоном, частота собственных резонансных колебаний в среднем равна 100 кГц. Однако чувствительность такой конструкции невысока. Для получения высокой чувствительности широкое применение находят конструкции, и-пользующие сложные деформации сжатия и сдвига. Колебания чистого сдвига преобразователя в плоскости, содержащей ось поляризации, приводят к созданию электрического поля в перпендикулярном направлении. При этом поле в направлении колебаний отсутствует, что создает принципиальную возможность получения больших чувствительностей в перпендикулярных направлениях. Для преобразователей такого типа могут бьггь использованы полые цилиндры из пьезокерамики, поляризованные по высоте (рис. 8.12, в). При деформации сдвига на боковой поверхности пьезоэлемента образуется заряд q = Ks, где К - коэффициент поляризации; s - площадь электродов. Коэффициент поляризации К - Ozdis зависит от пьезоэлектрического коэффициента dib и тангенциальных механических напряжений, возникающих в цилиндре под действием силы F: где Г1 - радиус внутренней поверхности цилиндра. Чувствительность в режиме холостого хода где Сп = E/i/21n Г2/Г1 - емкость пьезоэлемента, определяемая его геометрическими параметрами (радиусы наружной га и внутренней п поверхности и высота h цилиндра) и диэлектрической проницаемостью материала. 12 3 If S В  Подставив значение С, получим •х. X - Рис. 8.13. Конструкция датчика с цилиндрическим пьезоэлементом где gxb = dale. Эта формула не учитывает упругие свойства мембраны и ее размеры. Учитывая, что F = = 5эфР, гдеР - измеряемое давление, формулу для чувствительности можно записать следующим образом: • Р 0,5/1 где - эффективная площадь мембраны. Собственная резонансная частота конструкции с пьезоцилин-дром примерно составляет 150 кГц. При использовании одного и того же пьезоэлектрического материала, например высокочувствительной керамики, чувствительность датчика, использующего последнюю конструкцию, примерно в 10 раз выше, чем у датчиков, в которых пьезоэлемент работает на изгиб или на сжатие. В конструкции, приведенной на рис. 8.13, пьезоцилиндр 3 прикреплен клеем к токосъемнику 4, который, в свою очередь, через изолятор (слюдяную прокладку) приклеен к опорному стакану 5. Верхний токосъемник 2 крепится контактолом (токопроводящий клей) к торцу пьезоцилиндр а; затем весь узел поджимается к мембране / ввинчиванием в корпус 6. Пьезоэлемент в виде полого цилиндра имеет размеры: внешний диаметр 8 мм, внутренний диаметр 6 мм, высота цилиндра 7 мм. При проектировании следует принять во внимание, что для уменьшения влияния дифракции внешний диаметр датчика звукового давления должен быть меньше длины звуковой волны на верхней граничной частоте: Я = clh, где с - скорость распространения звука в атмосфере; - верхняя граничная частота рабочего,диапазона. Действительная чувствительность акустических датчиков может отличаться от расчетной, полученной по приведенным выше формулам. Экспериментально чувствительность можно определить по схеме, приведенной на рис. 8.14. Акустические колебания, получаемые в трубе Оберста с помощью электродинамического возбудителя 100 ГрД-1, воспринимаются испытываемым датчиком и эталонным микрофоном. Чувствительность определяется по формуле Рис. 8.14. Схема экспериментального определения чувствительности датчика: / - преобразователь с индикатором; 2 - датчик; 3 - труба Оберста; 4 - головка 100 ГрД-1; 5 - генератор-усилитель; 6 - эталонный микрофон где f/вых - выходное напряжение преобразователя сигнала датчика; f/м. пых - выходное напряжение преобразователя сигнала микрофона; - чувствительность микрофона; /(„ - коэффициент усиления преобразователя сигнала микрофона; /Сд - коэффициент усиления преобразователя сигнала датчика. Существенное значение для пьезоэлектрических датчиков звукового давления имеет виброчувствительность, которая определяется как в осевом направлении, так и в направлении, перпендикулярном к оси датчика. Из рис. 8.15 видно, что под действием вибраций с определенными значениями виброускорений датчик работает как акселерометр, в котором инерционная масса слагается из массы мембраны mi, передающего элемента /пг и части пьезоцилиндра ms. Развиваемая этой массой сила инерции F = = т-а, где - суммарная инерционная масса; а - амплитуда виброускорений, вызывает напряжения сдвига в цилиндре по поверхности d-d, в результате чего датчик генерирует паразитный сигнал. Значение этого сигнала соответствует давлению = /Sm, где s„ - площадь мембраны, и образует абсолютную погрешность от вибраций. Кроме того, поскольку узел с пьезоэлементом связан с мембраной лишь поджатием, то при действии вибраций в направлении, перпендикулярном к оси датчика, узел с пьезоэлементом образует консольную систему. В связи с этим описанная конструкция имеет высокую боковую чувствительность. Величина эквивалентного давления, соответствующая ускорению а = Ig (9,81 м/с) и выраженная в децибеллах, называется виброэквивалентом датчика: V = 20 Ig Рз/П20 Ig+ 20 Ig 9,81- - 20 Ig(2-10-5) = 20 lg + 114 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 [ 64 ] 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 |