как показано на рис. 6-7, б. Сквозь центральные отверстия пластины через изоляторы винтом прижимаются к корпусу. Выводы пластин подключаются к усилителю с симметричным входом.

Для повышения чувствительности датчиков используются пьезо-элементы из пьезокерамики, имеющей пьезомодуль значительно выше

"1

I П.

TZZZZZZZZZ

- V.

+ + + + + +/+ + +

+ + + + "*

Зштроды

+++++++++

+++++++++

Пьезоэлектрическая пленка 5

+++++++++

777 /?

по сравнению с кварцем. Пьезоэлемент выполняется в виде ряда параллельно соединенных при помощи металлических прокладок 2 пластин / (рис. 6-8, а). В этом случае чувствительность преобразователя определяется формулой S = ЙцП (С -f пСо), где п - число параллельно соединенных пластин; Со - емкость одной пластины.

Щ. и. Субботин предложил использовать в пьезоэлектрических преобразователях фольгированную с двух сторон пьезоэлектрическую пленку, складывая и после этого запекая ее так, как показано на рис. 6-8, б.

Увеличение чувствительности достигается и при использовании поперечного пьезоэффекта, однако в этом случае тонкая пластина, нагружаемая вдоль, может потерять устойчивость. Для повышения устойчивости может быть применена схема нагружения, показанная на рис. 6-8, в. Преобразователь состоит из трех вертикальных пластин Х-среза, все внутренние и все внешние обкладки которых соединены.

Высокую чувствительность имеют также преобразователи с пьезо-элементами, работающими на изгиб. Пьезоэлемент, называемый би-морфным, составлен из двух пластин. При действии силы F пьезоэлемент прогибается, верхняя пластина испытывает растяжение, нижняя - сжатие и на пластинах наводятся заряды. Пластины в зависимости от направления положительных осей в них (оси указаны стрелками) могут соединяться как параллельно, так и последовательно, как это и показано на рис. 6-8, г и д; там же даны и знаки зарядов. Кроме этого, в качестве одной из пластин может быть использован не пьезоэлемент, а металлическая накладка такой толищны, чтобы пьезо-пластина лежала выше нейтрального слоя (рис. 6-8, е).

Для повышения чувствительности используются также пьезоэле-менты, работающие на сдвиг. Схематическая конструквдш пьезоаксе-лерометра с цилиндрическим пьезоэлементом, работающим на сдвиг, показана на рис. 6-8,ж.

Выпускаемые в настоящее время фирмой Брюль и Къер пьезоак-селерометры перекрывают диапазон ускорений 2-10--10* м/с. Наиболее высокочастотные акселерометры имеют собственную частоту до 200 кГц при чувствительности 0,004 пКл/(м-с-2). Наиболее высокочувствительные пьезоакселерометры имеют чувствительность до 1000 пКл/(м-с-2), но их собственные частоты не превышают 1 кГц.

6-3 ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

В пьезоэлектрическом резонаторе происходит преобразование электрического напряжения между электродами в деформацию и механические напряжения в пьезоэлементе, которые вызывают ответную реакцию по выходу в виде зарядов на электродах, возникающих под действием механических напряжений. Обратимость пьезоэлектрического эффекта позволяет выполнять пьезорезонатор в виде двухполюсника, объединяющего системы электрического возбуждения механических колебаний и съема электрического сигнала. Резонансные колебания в пьезоэлементе возникают в результате установления в нем стоячих ультразвуковых волн. Длина волны К = v/f, где v - скорость распространения ультразвука; / - частота излучения. Скорость распространения ультразвука в материале определяется как V == YEijIp, где Е ij- константа упругости; р - плотность материала. Следовательно, длина волны К =

Если длина волны % такова, что на отрезке h между гранями, от которых отражаются волны, укладывается целое число полуволн, то в пьезоэлементе устанавливаются стоячие волны. Таким образом, стоячим волнам соответствует частота возбуждающего напряжения

/лк=2й V где п - число уложившихся полуволн. Частота колебаний, при которых на длине h укладывается одна полуволна, является основной частотой и равна /к = ]/-При частотах, значительно меньших /к, ток в цепи возбуждающих электродов (рис. 6-9, а) мал и определяется в основном межэлектродной емкостью Со и сопротивлением изоляции между электродами Rq.

Со--

Ck=y "Г Ro Rk

Рис. 6-9

По мере приближения частоты возбуждающего напряжения к частоте /к амплитуда механических колебаний растет. Пропорционально амплитуде колебаний увеличивается заряд на электродах, и в цепи возрастает составляющая переменного тока, вызываемая деформациями пьезоэлемента.

На рис. 6-9, б представлена эквивалентная схема (см. § 2-4) пьезо-резонатора. В этой схеме введены эквивалентные параметры: индуктивность Lk = т/кэм, емкость С„ = nki, и сопротивление R„, образующие динамический контур эквивалентной схемы. Схема рис. 6-9, б соответствует свободно колеблющемуся, т. е. механически не нагруженному, пьезорезонатору (режим короткого замыкания, при котором усилия на поверхностях пьезоэлемента от внешних сил равны нулю). Схема рис. 6-9, в учитывает влияние внешних нагрузок в виде включенного сопротивления Z, которое может иметь как чисто активный (например, если существуют потери на акустическое излучение во внешнюю среду), так и реактивный (например, при присоединении к пьезоэлементу дополнительной массы) характер. В заторможенном состоянии, когда скорости смещений поверхностей пьезоэлемента равны нулю, сопротивление равно бесконечности (режим холостого хода). В режиме, близком к холостому ходу, работают пьезоэлектрические датчики давлений и ускорений, в которых используется прямой пьезоэффект. Поэтому в эквивалентной схеме этих датчиков динамическая ветвь обычно не учитывается.