Условия осуществления оптимальной конструкции пьезоэлектрического вибропреобразователя

Желательно, чтобы пьезоэлектрический вибропреобразователь имел большой коэффициент преобразования и высокую собственную частоту преобразования (сои) и емкость (С»). Однако, формулы (6) и (7) показывают, что эти требования частично противоречивы. Увеличение модуля упругости (Е) только повышает собственную частоту. Увеличение диэлектрической проницаемости увеличивает собственную ёмкость С» и уменьшает коэффициент преобразования. Увеличение частоты (В) пьезоэлемснта и инерционного элемента увеличивает коэффициент преобразования, но понижает собственную ёмкость (С»). Увеличение площади пьезоэлемента S1 повышает собственную ёмкость (С»), но требует соответственного увеличения площади инерционного элемента S1 чтобы

Увеличение плотности материала инерционного элемента (А), повышает коэффициент преобразования, но снижает собственную частоту.

Таким образом, уменьшение габаритов преобразователя уменьшает коэффициент преобразования и собственную ёмкость, но увеличивает собственную частоту механического резонанса.

В настоящее время для изготовления пьезоэлектрических преобразователей наиболее широкое применение имеет пьезокерамика ЦТС – цирконат титанит свинца, обладающая высокой чувствительностью (ЗООнК/Н), равномерной температурной характеристикой и обеспечивающая возможность измерения при температурах до 260 °С.

Основные принципы работы ПВ

По принципу работы пьезоэлектрические вибропреобразователи могут классифицироваться на четыре основные группы.

К первой группе относятся преобразователи с инерционной массой, прижимаемой по периферии к пьезоэлементу, что способствует повышению их чувствительности. При этом корпус выполняется достаточно легким, но с твердым основанием. Если частота вибрации гораздо меньше собственной частоты механического резонанса преобразователя, то ускорение инерционной массы будет равным ускорению места установки преобразователя на испытываемое изделие. При вибрации инерционная масса вызывает переменное сжатие пьезоэлемента, приводящее к возникновению электрического заряда пропорционального колебательному ускорению поверхности изделия, на которую. установлен вибропреобразователь. Измерение величины заряда с помощью специальной измерительной схемы, подключаемой к выходу преобразователя, позволяет определить амплитуду ускорения, частоту и форму колебаний при вибрации. Установлено, что при реализации данной конструкции обеспечивает получение наилучших амплитудных и амплитудно-частотных характеристик преобразователя. К достоинствам этого варианта конструкции также относятся простота, прочность и наличие достаточно большого коэффициента преобразования при относительно малом весе преобразователя. Основными недостатками являются:

• зависимость показаний от изменения температуры окружающей среды;

• чувствительность к акустическим шумам;

• возможность деформации корпуса и основания преобразователя, являющихся частью системы «подвес – инерционная масса», под влиянием деформации колебательной поверхности испытываемого изделия.

Ко второй группе относятся преобразователи, у которых инерционная масса, пружина и пьезоэлемент установлены на центральном зажиме в середине твердого основания. Корпус в данной конструкции выполняет только защитные функции. Преобразователи второй группы лишены большинства указанных недостатков преобразователей первой группы.

К третьей группе относятся преобразователи, у которых устраняется влияние деформации основания на пьезоэлемент за счет того, что инерционная масса, прижатая пружиной к пьезоэлементу, перевёрнута. Недостатком преобразователей является несколько пониженная резонансная частота вследствие резонансов стенок корпуса, на которые опираются инерционная масса и пружина.

Особенностью четвертой группы является то, что пьезоэлемент выполнен в форме цилиндра и напряжение на обкладках появляется вследствие сдвига при восприятии преобразователем механических колебаний по направлению оси поляризации, совпадающей с осью центрального зажима. Данная конструкция хорошо работает в различных условиях окружающей среды. Она отличается малыми габаритами и обеспечивает возможность измерения параметров вибрации на высоких частотах. Съем сигнала с преобразователя производится с торцевых поверхностей перпендикулярных к оси поляризации.