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

где /3 - коэффициент, зависящий от типа колебаний и части трубки, погруженной в жидкость, О < (3 < 1; 6 - глубина скин-слоя, характеризующая глубину проникновения сдвиговой волны в жидкость и определяемая ее вязкостью; р и - плотности жидкости и вибратора.

Рабочая характеристика одного из вариантов датчика приведена на рис. 7.2,в. Длина трубки составляла 30 см, толщина стенок 2 мм. Пьезоэлементы из керамики PZT имели размеры 2x1x16 мм. Как видно, зависимости носят волнистый характер с периодичностью в 1/4 длины волны. Это связано с особенностями перераспределения картины стоячих волн по длине трубки по мере ее заглубления в жидкость. Предложен оригинальный способ подавления волнистости. Для этого применяется блок из двух вибраторов, в которых пьезопреобразователи сдвинуты по высоте на (1/4)Х. Вычислительное устройство определяет среднюю частоту двух вибраторов, которая характеризуется существенно больщей линейностью зависимости уровень-частота.

Аналогичная идея может быть реализована и в конструкции с одним вибратором. В этом случае используются два смещенных по высоте пьезопреобразователя, обеспечивающих поочередное возбуждение колебаний на близких резонансных частотах, причем узлы для одного колебания за счет специальной конструкции трубки попадают на пучности колебания для другого.

Как следует из (7.4), подобные датчики должны обладать чувствительностью к вязкости. Для диапазона 0,1-1 Па - с она, однако, невелика - погрешность от изменений вязкости не превышает 1 % верхнего

предела.

В общем случае для жидкостей с изменяющейся плотностью и вязкостью из1У<ерение уровня требует знания этих параметров и введения соответствующих поправок в отсчет уровня.

Ниже описаны конструкции датчиков плотности и вязкости, предложенные компанией Марко ни [ 149].

Датчик плотности выполнен в виде вибратора камертонного типа. На концах двух коротких стержней, образующих плечи камертона, имеются прямоугольные лопасти. Изгибные противофазные колебания плеч камертона возбуждаются пьезоэлементами, утопленными в пазы в стержнях. Частота колебаний зависит от плотности жидкости, в которой он размещен. Лабораторные исследования указывают на возможность измерения плотностей с точностью 5-10" г/см при плотности до 5-10" г/см и вязкости около 100 Па-с. Для учета влияния температуры на результаты измерения на вибраторе размещают термодатчик, например термистор.

Датчик вязкости выполнен в виде двух коротких полых трубок, совершающих, как и в предьщущей конструкции, противофазные изгибные колебания. Лопасти отсутствуют, что позволяет возбуждать колебания и при больших вязкостях. Величина вязкости оценивается по величине затухания свободных колебаний (добротности) либо по ширине

резонансного пика колебательной системы. Диапазон измерений составляет от 10" до 10 Па. с. Расчет вязкостных характеристик проводится в вычислительном устройстве. Для вычислений не требуется знания плотности жидкости.

Многопараметровые измерения. Одно из важных достоинств вибрационных датчиков - возможность измерения одновременно нескольких параметров одним чувствительным элементом. Это в общем случае требует проведения замеров для нескольких мод колебаний и последующих решений системы уравнений для определения ряда параметров жидкостей.

Так, в системе контроля состояния аккумуляторов для поДводной лодки компанией Маркони использован вибратор в виде полой стеклянной трубки, в которой системой пьезопреобразователей возбуждаются поочередно изгибные и крутильные колебания. Частота крутильных колебаний зависит от плотности электролита; в то же время частота изгибных колебаний определяется как уровнем, так и плотностью. Решение уравнений, в которые входят значения этих частот, а также температура, определяемая встроенным термодатчиком, позволяет производить измерения плотности электролита с точностью ±0,002 г/см в диапазоне плотностей 1000-1300 г/см, уровня с точностью ±2 мм в диапазоне до Ю см и температуры с точностью +5 °С. Передача сигнала с датчика производится по волоконно-оптической линии связи.

7.3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ УСИЛИЙ

В основе работы преобразователей лежат эффекты изменения добротности пьезорезонансного преобразователя в функции механического воздействия. Конструкция одного из вариантов преобразователя усилий (динамометра) приведена на рис. 7.3,Д [145]. Измеряемое усилие F через шарик и нагрузочную площадку передается на дисковый пьезоэлемент, контактирующий по двум поверхностям с демпфирующими про-

Выход


Рис. 7.3. Преобразователь усилий:

а - конструкция преобразователя; 1 - пьезоэлемент; 2 - демпфирующая прокладка; 3 - нагрузочная площадка; 4 - стальной шарик; б - пьезоэлемент; в -схема включения преобразователя




40 лн

Рис. 7.4. Рабочие характеристики преобразователей усилий:

а - влияние материала демпфирующих прокладок; 6 - зависимость С/вых() при различных способах положения усилий

кладками. Пьезоэлемент совершает продольные колебания по толщине или радиусу и может выполняться либо как пьезорезонатор, либо как пьезотрансформатор. Реализация преобразователя по трансформаторной схеме позволяет повысить уровень выходного сигнала до сотен вольт.

В датчике используется пьезокерамический трансформатор из материала ЦТС-19.

Анализ рабочих характеристик преобразователя (рис. 7.4) показывает, что в основе наблюдаемых эффектов лежит зависимость условий передачи энергии с поверхности пьезорезонатора в демпфирующую прокладку. Под действием силы F происходит модуляция акустического сопротивления R. Влияние эффекта изменений частоты пренебрежимо мало. По-видимому, основным механизмом воздействия на значение 7?д является изменение площади контакта 5 между резонатором и демпфером.

В [145] показано, что рассматриваемые датчики могут обеспечивать измерение в диапазоне номинальньа усилий от 20 до 1000 Н. Достоинством датчиков являются их простота, высокая надежность. Однако точность таких датчиков невысока (погрешности - в лучшем случае единицы процентов). Основная причина больших погрешностей связана с использованием весьма нестабильного и плохо воспроизводимого эффекта развития контакта между твердыми деформируемыми телами.

7.4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Пьезорезонансные измерители микроперемещений относятся к преобразователям виброконтактного типа. Работа устройств основана на эффекте изменения добротности колеблющегося пьезоэлемента при вхождении его поверхности в контакт с перемещаемым относительно резонатора изделием. Последнее может вьтолняться из металлов и неметалли-208


Рис. 7.5. Принципиальная схема датчика микроперемещений

ческих материалов. Изменение добротности происходит в результате увеличения акустической нагрузки на поверхностях ПР. Эффект наиболее четко проявляется в пьезорезонаторах с высокой механической добротностью, выполненных на основе материалов с малым коэффициентом электромеханической связи.

Схема одного из вариантов преобразователя микроперемещений представлена на рис. 7.5. В схеме резонатор ПР используется в качестве частотозадающего элемента генератора ЛГ. Частота и амплитуда сигнала на выходе генератора стабилизированы. Выходной сигнал используется для возбуждения резонансных колебаний пьезорезонатора ПР2. Амплитуда колебаний ЯРг изменяется при помощи аттенюатора. Контроль тока, протекающего через резистор, осуществляется при помощи измерительного прибора ИП. При плавном увеличении амплитуды колебаний А наступает момент, когда резонатор ПР2 входит в контакт с изделием. В момент контакта пьезоток резко падает.

Если зависимость между напряжением U на резонаторе и амплитудой А его колебаний известна, то, фиксируя ток в цепи ИП в момент контакта, можно измерить расстояние между поверхностью резонатора и изделием [146].

Можно показать, что для стержневых резонаторов с колебаниями по длине при изменении напряжения возбуждения от 15 мВ до 1,5 В амплитуда продольных колебаний по длине изменяется в пределах от 01 до 1 мкм, а амплитуда колебаний по ширине - в пределах от 10 до 10" мкм.

Наряду с колебаниями продольного типа возможно использование и колебаний изгиба, сдвига и т.д.

При выполнении микрометров на основе биморфных пьезоэлементов верхний предел по контролируемым перемещениям может быть увеличен до нескольких десятков микрон.

Порог чувствительности пьезорезонансного датчика микроперемещений лежит на уровне возможностей градуировочной аппаратуры и составляет около сотых долей ангстрема.



7.5. ГИГРОМЕТР ТОЧКИ РОСЫ

Работа преобразователя основана на эффекте падения добротности при конденсации паров воды на поверхности пьезорезонатора. Температура, при которой происходит конденсация (или точка росы), зависит от влагосодержания среды [151].

Операция измерения температуры в точке росы осуществляется в гигрометре самим акусточувствительным резонатором, обтекаемым потоком воздуха (ПВ). Резонатор выполняет одновременно две функции: высокочувствительного детектора приращений акустической нагрузки и термодатчика. Один из вариантов гигрометра построен по принципу пропорционального регулятора, обеспечивающего автоматическое поддержание температуры пьезорезонатора вблизи точки росы с помощью холодильника и нагревателя.

7.6. ПРИМЕНЕНИЕ АКУСТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ РЕЗОНАТОРОВ В ФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Среди различных практических применений эффекта акустического нагружения пьезорезонатора заметное место занимают задачи исследовательского характера. Интересные возможности открывает описанный в [131] метод исследований твердых и жидких материалов. Метод заключается в нанесении микродоз материала непосредственно на поверхность резонатора. В процессе исследований под действием внещних факторов вещество может изменять свои свойства, что влечет за собой вариацию его акустических характеристик и в конечном счете изменяет акустическую нагрузку резонатора.

Таким образом, без использования сложного аналитического оборудования оказьшается возможным надежно выявлять тонкие изменения структуры вещества. Другие примеры использования методики рассмотрены в [129, 142,144].

7.7. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВИБРОГИРОСКОПЫ

Пьезоэлектрические виброгироскопы (ПВГ) - устройства, выполняемые на основе гирочувствительных пьезопреобразователей. Они применяются для измерений угловых скоростей в навигационных системах летательных аппаратов.

Работа ПВГ, как отмечалось в § 2.5, основана на действии сил Кориолиса, возникающих в колеблющемся пьезовибраторе при его вращении. Многообразие конструктивных форм ПВГ определяется наличием большого числа разновидностей пьезорезонансных преобразователей [152 - 154].

В конструктивном отношении гиропреобразователи ПВГ можно условно разделить на дискретно-компонентные и монолитные. Монолит-210


Рис. 7.6. Камертонный пьезокварце-вый вибро гироскоп:

а - конструкция гиропреобразова-теля: 1, 2 - накопители энергии; 3, 4 - перемычки; 5 - электрод для

съема выходного сигнала; 6 - электроды для возбуждения колебаний; б, в - деформации в гиропреобразователе соответственно при S2z = 0 и S2z 0; - силы Кортолиса; г - принципиальная схема гироскопа

ные гиропреобразователи реализуются, как правило, из пьезокерамики, допускающей возможность неоднородной поляризации вибратора. В дискретно-компонентном варианте выполняются гиропреобразователи из пьезокварца.

Гиропреобразователь, представленный на рис. 7.6,д, объединяет элементы возбуждения и детектирования в конструкции, состоящей из нескольких жестко скрепленных между собой кварцевых пьезоэлементов [154]. Преобразователь используется для измерения частоты вращения 2. Принцип работы поясняется рис. 1.6р,в. При подводе электрической энергии ультразвуковой частоты (несколько килогерц) к накопителям энергии i и 2 в шх возбуждаются колебания изгиба. При нулевой угловой скорости связывающая перемычка, состоящая из половинок 3 тл 4, испытывает только деформации растяжения-сжатия. Поскольку длина перемычки совпадает с осью Y пьезокварца, заряды на центральном электроде 5 при деформациях растяжения-сжатия возникнуть не могут (рис. 7.6,6) .

При вращении вокруг оси Z в конструкции возникают силы Кориолиса, стремяпдаеся скручивать накопители попеременно с частотой входного сигнала один вверх, а другой вниз, как показано на рис. 7.6,в. При этом в соединительной перемычке юзникают знакопеременные деформации изгиба. Если половины перемычки ориентированы, как показано на рис. 7.6,д, то с центрального электрода 5 будет сниматься пере-



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



0.0009