Главная - Литература

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

ческой амплитудно-частотной характеристики. Измеряемое воздействие модулирует харакгертсгйческйе хйрамегры элементов структуры ПР и взаимодействие между этими элементами. В результате изменяется амплитудно-частотная характеристика ПР. В модуляции амплитудно-частотной характеристики ПР и заключается суть работы пьезорезонансных датчиков.

Как правило, колебания ПР возбуждаются вблизи одной из его резонансных частот. Дня этого режима наиболее существенными характеристиками резонатора являются значения частот последовательного и параллельного /р резонансов, электрического комплексного сопротивления Z (активной и реактивной составляющих, абсолютное значе-р ние Z), а также фазового сдвига между напряжением на резонаторе и током через него. При работе резонатора в качестве элемента, преобразующего измеряемое воздействие Y, наиболее важны зависимости: характеристических частот резонанса или антирезонанса /. (У) и

модуля электрического комплексного сопротивления Z(1);

сдвига фазы между током и напряжением (У).

Большинство пьезорезонансных датчиков строится по принципу модуляции частоты резонатора (реже ангирезонанса) в функции параметра Y. Пьезорезонаторы, управляемые по частоте, составляют основу частотных пьезорезонансных датчиков (ЧПРД), в которых выходным параметром является частота / сигнала. На базе ПР, в которых воздействие Y вызывает модуляцию комплексного сопротивления Z или проводимости 1/Z на фиксированной частоте, близкой к одной из резонансных частот, строятся амплитудные ПРД (сокращенно АПРДХ В этих датчиках информация о входном воздействии заложена в амплитуде А (У) выходного тока или напряжения. Иногда АПРД строятся на основе резонаторов, управляемых по частоте.

Фазовые ПРД (ФПРД), в которых выходным сигналом служит фаза переменного тока или напряжения, распространены мало, хотя, как показывает опыт, применение этих преобразователей дает в ряде случаев существенное улучшение порога чувствительности. Они могут выполняться как на основе резонаторов с перестройкой частоты, гак и на основе ПР с перестройкой проводимости на фиксированной частоте.

Рассмотрим основные методы управления параметрами пьезорезонатора.

Управление частотой, как отедуег из анализа эквивалентной схемы резонатора, может осуществляться:

1) воздействием на эквивалентную податливость (Ск) или на эквивалентную массу (Lk) колебательной системы или на оба указанных параметра одновременно. В соответствии с формулами (1.4) и (1.5) в этом случае варьируются обе резонансные частоты;

2) вариацией активных потерь (R)- Увеличение декремента затухания 5, как известно, понижает частоту собственных колебаний в со-

= ответствии с соотношением ш=у/ио - 5 :

3) управлением значением межэлектродной емкости Cq или емкостного отношения т = Ck/Cq. Из (1.4) и (1.5) следует, что вариацией Cq можно управлять только частотой параллельного резонанса.

Наибольшее распространение получил первый из перечисленных способов, основанный на модуляции эквивалентной податливости (Ск) или массы (Lk) колебательной системы.

Дня построения ПРД обычно используются высокодоброгные резонаторы, в которых декремент затухания настолько мал, что практически не оказывает влияния на резонансные частоты. Это объясняет причины, по которым второй способ управления по частоте не нашел широкого применения.

Третий способ интересен с точки зрения электрического управления межрезонансным промежутком Д/ =/р-Л « полосой пропускания пьезоэлектрических фильтров. В ПРД управление емкостью Со или емкостным отношением т может достигаться воздействием на константы материала пьезовибратора. Другой способ применим в резонаторах специального типа, в которых между пьезовибрагором и электродом (электродами) имеется зазор, вакуумированный либо заполненный материалом с диэлектрической проницаемостью е. Изменение геометрии зазора, как и варьирование его электрических характеристик, приводит к изменению Со и сдвигу частоты колебательной системы в целом. Подобные ИП распространены сравнительно мало. ПРД с управлением геометрией зазора близки по физическому принципу к датчикам емкостного типа, в которых отдельная переменная емкость включена в цепь с пьезорезонагором.

Управление комплексным сопротивлением Z или электрической проводимостью ПР может осуществляться:

1) вариацией активных потерь (Як) колебательной системы при работе на фиксированной частоте в околорезонансном промежутке частот;

2) воздействием на реактивные параметры (податливость и массу) при фиксированной частоте возбуждающего напряжения;

3) комбинированным воздействием на активные и реактивные параметры колебательной системы.

Управление фазой. Фазочастотная характеристика пьезорезонатора однозначно определяется его амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Модуляция фазы - следствие модуляции АЧХ. В основе управления фазой могут лежать как эффекты, порождающие вариацию частоты, так и эффекты, порождающие вариацию проводимости ПР.

Как уже упоминалось выше, пьезорезонатор - колебательная система с распределенными параметрами. Это, однако, не мешает выявлять тот элемент структуры (вибратор, окружающая среда, поверхностная пленка или элемент крепления), на который направлено измеряемое воздействие. Анализ различных типов ПРД показывает, что в структуре пьезорезонатора обычно можно выделить элемент, вариация параметров которого ответственна за изменения, происходящие в структуре в целом.



При построении ПРД получили распространение методы управления, основанные на вартации параметров всех элементов, образующих структуру резонатора.

В частотных ПРД применяются воздействия, в основном ориентированные на вибратор и пленку на его поверхности. В этом случае реализуется управление податливостью и массой колебательной системы: податливость определяется в основном упругими свойствами и размерами вибратора, изменения массы ПР связаны с изменениями массы пленки, присоединенной к пьезоэлементу.

В амплитудных ПРД воздействие ориентируется обычно на два других структурных элемента - узел крепления резонатора и окружающую среду. Модуляцией акустических свойств этих элементов достигается изменение условий излучения ультразвука с поверхностей резонатора и, следовательно, реализуется управление потерями.

В ряде случаев амплитудные ПРД строятся по методу воздействия на третий структурный элемент - присоединенную пленку с модуляцией ее акустических свойств (вязкости)и потерь на излучение.

б) Классификация ПРД

Пьезорезонансные датчики, так же как и датчики других типов, могут быть классифицированы по природе измеряемого датчиком воздействия (механическое, тепловое, электромагнитное и т.д.). Этот традиционный метод классификации в принципе пригоден, однако в рассматриваемом случае малополезен, гак как мало что сообщает о физической стороне процессов, на основе которых реализуется преобразование измеряемого параметра.

Одна из главных целей любой классификации - выделение общего, присущего ряду объектов или явлений. С этой точки зрения классификация ПРД ставит одной из главных целей выделить то общее, характерное, что присуще отдельным разновидностям измерительных преобразователей, относящихся к группе ПРД. С этих позиций более полезной, по мнению автора, является классификация по типу основного эффекта (механизма), ответственного за преобразование, т.е. модуляцию параметров пьезорезонатора. Такая классификация позволяет вести с единых позиций анализ ИП, используемых при измерениях величин, различных по своей природе, но работающих на одном и том же физическом механизме преобразования. В конечном счете это упрощает оценки метрологических характеристик и конструирование приборов.

Согласно предлагаемой классификации практически все разновидности ПРД по типу эффекта или механизма, ответственного за модуляцию параметров резонаторов, могут быть отнесены к одной из следующих групп.

1. ПРД на основе чувствительности к полям различной физической природы (механическим, тепловым, электромагнитным, оптическим и т.п.).

Среди них наиболее распространенными являются следующие группы датчиков:

ПРД на основе тензочувствительных пьезорезонаторов, в которых измеряемое воздействие прямо или косвенно создает в пьезоэлементе механические деформации. Преобразование в параметр реализуется через тензочувствительность пьезорезонатора.

ПРД на основе термочувствительных пьезорезонаторов. В этих датчиках измеряемый параметр прямо или косвенно воздействует на среднюю температуру (или ее распределение по объему) пьезоэлемента. Преобразование параметра осуществляется посредством термочувствительности ПР.

ПРД на основе пьезорезонаторов, чувствительных к акустической нагрузке, комплексному сопротивлению Z. В этих устройствах измеряемый параметр модулирует условия излучения ультразвука с колеблющихся поверхностей пьезоэлемента. Механизм, лежащий в основе работы акустических ПРД, будем называть механизмом акусточувстви-тельности.

ПРД на основе масс-чувствительных ПР, использующие зависимость параметров резонаторов от массы вещества, присоединенного (сорбированного) поверхностью пьезоэлемента. Преобразование параметра в них осуществляется через масс-чувствительность пьезорезонатора.

2. ПРД на основе чувствительности к вариациям геометрии прибора, в которых эквивалентные параметры резонаторов меняются при взаимном смещении элементов конструкции ПР, например при изменении зазора между электродом и вибратором.

3. ПРД на основе гирочувствительных пьезопреобразователей. В этих устройствах измеряемым воздействием является частота вращения пьезовибратора вокруг оси, перпендикулярной к плоскости резонансных колебаний. Работа гиропреобразователей основана на появлении во вращающемся и одновременно колеблющемся с резонансной частотой вибраторе знакопеременных сил Кориолиса, пропорциональных частоте вращения и изменяющих направление с частотой колебаний. Силы Кориолиса порождают дополнительные деформации пьезоэлемента, преобразуемые через пьезоэффект в электрическое переменное напряжение с амплитудой, пропорциональной частоте вращения, и фазой, соответствующей направлению вращения. Гиропреобразователи реализуются по схеме многополюсных резонансных преобразователей. Модулируемым параметром в гиропреобразователях является вектор колебательной скорости или деформации в пьезоэлементе. Характер этих деформаций и их амплитуда варьируются в функции измеряемой угловой скорости. По принципу действия гиропреобразователи могут быть отнесены к элементам с управляемым коэффициентом связи.

Для сокращения будем их называть акустическими ПРД. 2-6867



с d a о

CQ S S

O.O.


§

о <u

>. s

- « Щ

5 •e- S

5 a a

s g ё

« g s

« О w

о n s

« 2 S

5 Й " M в e

к 5 P

u с P

a. с

л 5 g 9 В 8 2 «

ill!

2 S ;

C3 g P C3

§ H g §

a i 5 a

с в В с

1) 2 g С 2 о.

а р с;

и g«P ¥ « g в

с с 2

в -о

5 в р. S.

в § S

1та-8 i § а

S* в


iiii

till

3 в 2 S

р «

S 03

< D- в

Механизм, посредством которого реализуется преобразование, назовем механизмом гирочувствительности.

На базе четырехполюсников и многополюсных пьезопреобразовате-лей строятся кроме гиродатчиков и другие типы управляемых элементов (см. § 7.3). Практически все эти устройства подходят под предлагаемую классификацию.

Основные типы ПРД рассмотрены в табл. 1.2.

1.3. УПРУГИЕ, ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

а) Механические напряжения и деформации

Как показано в теории упругости [7], напряженное состояние в анизотропном твердом теле и его деформации могут быть описаны симметричными тензорами второго ранга.

Связь между напряжениями и деформациями устанавливается обобщенным законом Гука, который может быть записан в тензорном виде в одной из двух форм:

Тцк1 = Цк1 Ski

(1.11)

(1.12)

где Tij и Зц - тензоры напряжения и деформации.

Коэффициенты cij ki называются модулями упругости, а Sjjjd - коэффициентами податливости и являются симметричными тензорами четвертого ранга.

Единственный компонент деформаций (или напряжений) может вызвать появление в анизотропном теле сразу нескольких компонентов напряжений (деформаций) как нормальных, так и сдвиговых, которые приводят к искажению первоначальной формы тела.

6) Уравнения пьезоэлектрической среды

Уравнения, описывающие пьезосреду в статике, выводятся из термодинамических потенциалов [2]. Согласно классической термодинамике энергетическое состояние упругого твердого тела однозначно определено, если задашл упругие, электрические, магнитные и тепловые поля в нем. Для общего описания состояния вводятся также переменные: механические напряжения Т (или деформации S), напрнженность электрического поля Е (или индукция D), напряженность магнитного поля И (или магнитная индукция В), а также температура (или энтропия).

Для пьезоэлектрических материалов влияние магнитных полей обычно ничтожно мало, поэтому в уравнениях пьезосреды магнитные переменные И и В, как правило, не используются. Для пьезоэлектрических резонаторов можно пренебрегать и влиянием тепловых факторов, по-



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



0.0102