|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы к конструкций пьезоэлектрического датчика давления является высокая прочность. Основные разновидности конструкций упрощенно показаны на рис. 8.19. В первой конструкции (рис. 8.19, а) пьезоэлемент 1, поляризованный в направлении действия давления, испытывает деформации по толщине. Съем зарядов с одной стороны осуществляется через прокладку 2 и корпус с мембраной 5, а с другой - через токосъемник 4. Пьезоэлектрический преобразователь поджат к мембране корпуса с помощью втулки 5 и гайки 6. Чувствительность такой конструкции S = -f = d33S3* = nd33 (-Ц), где q - заряд на обкладках пьезоэлемента; Р - амплитуда приложенного динамического давления; dss - пьезоэлектрический модуль; 8эф - эффективная площадь мембраны; г„ - радиус мембраны; Гп - радиус прокладки. Во второй конструкции (рис. 8.19, б) используется поперечный пьезоэффект. Пьезоэлектрический цилиндр 1, поляризованный в радиальных направлениях, испытывает деформации по длине. Сила, пропорциональная давлению, действует на торцовую поверхность цилиндра перпендикулярно плоскости поляризации. Заряды снимаются с боковых (наружной и внутренней) поверхностей пьезоцилиндра; с наружной поверхности - через стакан 2 и корпус с мембраной 5, а с внутренней - через токосъемник 4. Поджатие осуществляется с помощью шайбы 5 и гайки 6. Рис. 8 19. Пьезоэлектрические датчики давления: q - с использованием продольного пьезоэффекта: б - с использованием поперечного пьезоэффекта; е - с наваренной мембраной; г - с цельноточеной мембраной  4 j z 7  8 S 10 1Z 11 13 Чувствительность конструкции по заряду 5 - з! 5эф, где dsi - пьезоэлектрический модуль; - площадь поверхности пьезоэлемента, нормальной векторам поляризации; Sy - площадь поверхности пьезоэлемента, нормальной направлению действия силы; s - эффективная площадь мембраны; равна площади боковой поверхности цилиндра, г Sy - площади его торцовой поверхности. Выразив и Sy через геометрические параметры пьезоцилиндра, получим <j Я81/ / Гм -Ь Гс \2 где I - длина боковой поверхности цилиндра; и ri - наружный и внутренний радиусы цилиндра; - радиус стакана. В конструкциях датчиков используют дисковые пьезоэлементы диаметром 5-10 мм и толщиной 0,2--3 мм; шайбы с наружным диаметром 5-8 мм и диаметром внутреннего отверстия 1,5-2,5 мм; цилиндрические пьезоэлементы с наружным диаметром 5-8 мм, внутренним диаметром 4-6 мм и высотой 6-7 мм. Пьезоэлементы, как правило, поставляют прошедшими температурную тренировку. При проектировании датчика стремятся получить максимально простую конструкцию, обеспечивающую высокую частоту собственных колебаний, линейную функцию преобразования и достаточную чувствительность; при этом элементы передачи давления - мембрана, прокладки, токосъемники - должны иметь как можно меньшую массу и (за исключением мембраны) как можно большую жесткость. На рис. 8.19, в приведена конструкция пьезоэлектрического датчика давления, который может быть использован для измерения быстроменяющихся давлений в жидких и газообразных средах. Датчик состоит из корпуса 1, в котором помещен стакан 2 с пьезоэлектрическим преобразователем. Основной частью преобразователя является пьезоэлемент 3, заключенный между токосъемниками 4к5. Для ограничения влияния температуры рабочей среды служит термоизолирующая прокладка 7. Стакан 2 с преобразователем поджимается к мембране 6, наваренной на корпус /, с помощью втулки 8 и гайки 9. Электрические выводы с токосъемников через изолирующую колодку 10 поступают в кабельную перемычку 11. Экран кабельной перемычки соединяется с корпусом датчика с помощью кольцевых шайб 12, которые поджимаются втулкой 13. В описанном датчике применена наваренная мембрана. В некоторых конструкциях (рис. 8.19, г) применяется мембрана, выточенная заодно с корпусом. И то, и другое конструктивное выполнение имеет свои достоинства и недостатки. 204 Цельноточеная мембрана обладает высокой механической прочностью, она более надежна. Датчики с цеЛьноточеными мембранами применяют в ответственных случаях, когда одним из основных требований является обеспечение высокой герметичности и прочности. Однако изготовление цельноточеной мембраны трудоемко и при равном (с наваренной) радиусе заделки она обладает большей жесткостью, вследствие чего датчик с цельноточеной мембраной при прочих равных условиях менее чувствителен. Наваренная мембрана проста в изготовлении. Материал мембраны (обычно стальная лента) должен обладать достаточной прочностью и большой зоной упругих деформаций. Корпус датчика с наварной мембраной также более технологичен в изготовлении. Специальные выточки в корпусе датчика (рис. 8.19, в), которые невозможно выполнить в цельноточеной конструкции, позволяют увеличить эффективную площадь мембраны, а следовательно, и чувствительность датчика. Недостатком наваренной мембраны является возможность нарушения герметичности в сварном шве. Кроме того, под сварочный шов необходим дополнительный размер, что приводит к некоторому удлинению корпуса датчика. Основные требования к материалам корпуса и мембраны- высокая прочность и стойкость к корозии. Для изготовления корпусов и мембран в настоящее время с успехом применяют нержавеющие стали Х18Н9Т, ЗбНХТЮ и др. (см. подробнее выше, гл. 6), Для получения высокой стабильнссти характеристик в датчиках применяют кварцевые пьезоэлементы. Однако датчики с кварцевыми пьезоэлементами обладают низкой чувствительностью, в 20 и более раз меньшей, чем датчики с преобразователями из керамики. Для увеличения чувствительности применяют столбики из нескольких параллельно соединенных пластин кварца. Столбики параллельно соединенных пластин используют и в пьезоэлементах из керамики. Для съема электрических зарядов применяют дисковые токосъемники, выполненные чаще всего из латуни и имеющие лепестки для подпайки монтажных проводников. Для защиты от коррозии и уменьшения контактного сопротивления контактные поверхности токосъемников покрывают серебром. Основным способом соединения элементов пьезоэлектрического преобразователя в датчике является приклеивание, причем используют как проводящие (например, контактол КВК-15с), так и непроводящие клеи. Следует помнить, что клеевое соединение можно использовать лишь до температур 675 К. При более высоких температурах клеи «дымят», причем продукты выделения влияют на величину сопротивления изоляции внутренних элементов датчика. Поэтому при повышенных температурах следует применять бесклеевое соединение с использованием поджатия (рис. 8.20). 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 |