Виброизмерительные преобразователи (стр. 3 из 3)
Сильное шунтирующее действие на собственную ёмкость преобразователя оказывает ёмкость проводов (кабелей), которая может быть сравнима с ёмкостью преобразователя.
В области высших частот амплитудно-частотная характеристика будет равномерной, если выполняется условие, что собственная частота Wo колебательной системы преобразователя значительно выше частоты Q.B в спектре вибрации:
7. 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.
8. 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.
9. Электретные вибропреобразователи
Для измерения параметров вибрации изделий электронной техники и элементов конструкции РЭА, массы и габариты которых соизмеримы с массой и габаритами контактных вибропреобразователей, необходимо использовать бесконтактные вибропреобразователи. Одним из возможных методов бесконтактных измерений параметров вибрации, имеющих практическое промышленное применение, является электретный.
Данный метод использует явление электретного эффекта, основанном на электростатической индукции поляризованных диэлектриков (электретов) и заключающейся в наведении свободных электрических зарядов на проводящих поверхностях изделий, приближающихся к электростатам. При этом поверхностная плотность заряда определяется следующим выражением:
– поверхностная плотность заряда электрета;S – зазор между электретом и проводящей поверхностью изделия;
d – толщина электрета;
– диэлектрическая проницаемость материала электрета.Под воздействием периодической вибрации (рис. 3) зазор изменяется по закону:
S = S0+S(t)
So – начальный зазор между поверхностями электрета и изделий;
S(t) – закон изменения амплитуды перемещения изделий при вибрации.
При гармонической вибрации:
Изменение зазора приводит к изменению наведенных зарядов во времени и к появлению тока в цепи электрет – измерительный прибор – проводящая поверхность изделия.
где Р – площадь поверхности элемента.
Из выражения следует, что бесконтактный электретный вибропреобразователь является источником тока, величина которого пропорциональна скорости вибрации
. Напряжение на сопротивление нагрузки 
определяется выражением, позволяющим оценить амплитудно-частотную характеристику вибропреобразователя:
При этом:
С£=С0+Свх+Ск
где Со – ёмкость электретного вибропреобразователя;
Свх – входная ёмкость входного устройства;
Ск – ёмкость кабеля.
С этой целью стремятся уменьшить постоянную времени.
Размещая входное устройство измерительного прибора (виброметра) в одном корпусе с преобразователями выполняя его по схеме истокового повторителя на полевом транзисторе добиваются уменьшения Ск. и Свх. Уменьшение RII нецелесообразно, так как ведет к увеличению уровня собственных шумов и снижению чувствительности.
Исследования показывают целесообразность выполнения бесконтактных электретных вибропреобразователей из тонких полимерных пленок фторопласта-4 (политетрафторотилена), которые обладают большой поверхностной плотностью заряда (s = 20*10-9Кл/см2), допускают возможность хранения в незакороченном состоянии, имеют хорошую повторяемость и просты в эксплуатации. Для установки начального зазора So между электретом и изделием в конструкции вибропреобразователя применен микрометрический винт. Бесконтактный электретный вибропреобразователь позволяет производить измерения параметров вибрации металлических металлизированных изделий, причем исключается зависимость показаний от толщины и проводящих свойств металла изделий.
Электретный вибропреобразователь является пассивным (генераторным) и, следовательно, не требует для своей работы постоянного источника энергии.