In rezonator piezoelectric este tensiunea convertită între electrozii din deformarea și tensiunilor mecanice în elementul piezoelectric care provoacă un răspuns de ieșire reacție th sub formă de taxe pe electrozi apar sub stres mecanic. Reversibilitatea-agenție de efect piezoelectricitate permite unui piezo rezonator cu doi poli, care combină sistemul de acționare electrică a vibrațiilor mecanice și pickoff semnal electric. Rezonanța oscilațiilor din piezoelement rezultă din stabilirea undelor ultrasonice în picioare. lungime de undă
unde u este viteza de propagare a ultrasunetelor; f este frecvența radiațiilor.
Viteza de propagare a ultrasunetelor în material este determinată de formula:
unde Eij este constanta elastica; r este densitatea materialului. În consecință, lungimea de undă
Dacă lungimea de undă l este astfel încât pe segmentul h între fețele din care sunt reflectate undele, un număr întreg de jumătăți de undă este stivuit, apoi undele în picioare sunt stabilite în celula piezoelectrică. Astfel, undele staționare corespund frecvenței tensiunii excitante
unde n este numărul de jumătăți de undă stivuite.
Frecvența de oscilație la care o jumătate de undă este stivuită pe lungimea h este frecvența fundamentală și este egală cu
La frecvențe care sunt semnificativ mai mici decât fK. curentul din circuitul electrozilor excitativi (Figurile 2-19, a) este mic și este determinat în principal de capacitatea integerlectrodică C0 și de rezistența de izolație dintre electrozii Ro.
Pe măsură ce frecvența tensiunii excitante se apropie de frecvența fR, crește amplitudinea oscilațiilor mecanice. Proporțional la amplitudinea oscilațiilor, sarcina pe electrozi crește, iar componenta curentului alternativ, cauzată de deformările elementului piezoelectric, crește în circuit.
În Fig. 2-19b prezintă un circuit piezoresonator echivalent. În cadrul acestei scheme se introduc parametrii echivalenți: inductivitatea LK = mIk 2em, capacitatea CK = nk 2em și rezistența RK, care formează circuitul dinamic al circuitului echivalent. Circuitul din Fig. 2-19, b corespunde unei oscilații libere, adică descărcată mecanic, piezoresonator (modul de scurtcircuit, la care forțele de pe suprafețele elementului piezoelectric de la forțele exterioare sunt zero). Circuitul din Fig. 2-19, ia în considerare efectul încărcărilor externe sub forma rezistenței incluse. care poate avea atât o puritate activă (de exemplu, dacă există pierderi la radiația acustică în mediul extern) și reactivă (de exemplu, atunci când se atașează masa suplimentară la piezoelement). În starea inhibată, atunci când vitezele de deplasare ale suprafețelor elementului piezoelectric sunt zero, rezistența Za este egală cu infinitul (modul de ralanti). În modul aproape de ralanti presiuni și accelerații, senzori piezoelectrici de lucru, care folosesc efectul piezoelectric direct. Prin urmare, în circuitul echivalent al acestor senzori, ramura dinamică nu este de obicei luată în considerare.
Conductivitatea circuitului echivalent (figurile 2-19, b) este definită ca
Pentru un piezoresonator ideal (R0 = ¥, RK = 0), conductivitatea crește infinit sub condiția 1 - w 2 LKCK = 0, adică la frecvența wR =. numită frecvența de rezonanță în serie. Această frecvență este determinată exclusiv de parametrii circuitului dinamic introdus și, prin urmare, coincide cu frecvența predeterminată a rezonanței mecanice.
Conductivitatea unui piezoresonator ideal scade infinit cu condiția j wC0 +. la o frecvență. numită frecvența de rezonanță paralelă (și, uneori, frecvența de antirezonanță).
Diferența relativă dintre frecvențele seriei și rezonanțele paralele (WP - Wc) / Wc = IC / (2S0). Pentru rezonator piezoelectric a raportului de cuarț capacitiv nu depășește TA / C0 = 10 -2-10 -3 și frecvența WP poate fi mai mare decât frecvența Wc nu este mai mare de 0,5%. Prin urmare, modificarea frecvenței paralelei-lacurilor Nance prin conectarea S'0 rezonator paralel adăugat capacitanță și crește astfel C0 capacitanță poate nu mai mare de 0,1 - 0,01%.
Într-un piezoresonator real la frecvențele wK și wP, conductanțele circuitului nu sunt egale cu infinitul și zero, având o valoare finită, care include, în plus față de componenta activă, o mică componentă reactivă. Prin urmare, pentru a determina piezoresonatorul, sunt introduse două frecvențe, la care conductivitatea este pur activă. Una dintre aceste frecvențe wr se numește frecvența de rezonanță și este puțin mai mare decât frecvența wK. Al doilea (wa) se numește frecvența de antirezonanță și este ușor sub frecvența wP. O diagramă vectorică a conductivității circuitului cu indicarea punctelor caracteristice este prezentată în Fig. 2-19 de
O caracteristică importantă a circuitului este factorul Q al acestuia
determinată de pierderile de energie în timpul oscilațiilor. In pierderea co-devenire include: pierderea reală din cuarț, pierderea în materialele de electrod, radiație acustică pierdere în mediu, pierderea la limita elementului oscilant și elementele de fixare ing fixe, pierderea în elementul de intrare circuitul atasabila RE-cal. Factorul teoretic calitatea rezonatoare de cuarț, dacă numai pierderea din cuarț, se poate ajunge la valoarea determinată din relația Qfr = 1,2 x 10 13. Afișare rezonatoare Q depinde de structura [1].
Senzorul de frecvență piezoresonanță se bazează pe un piezoresonator a cărui frecvență variază sub acțiunea cantității măsurate. Se poate schimba frecvența:
a) sub influența temperaturii, care afectează dimensiunile geometrice, densitatea și, în principal, proprietățile elastice ale cuarțului;
b) sub acțiunea solicitărilor mecanice din rezonator sau a deformării sale, provocând de asemenea o schimbare în h, r și n;
c) când se adaugă o masă suplimentară la rezonator, care își schimbă grosimea h și densitatea medie r.
În consecință, piezoresonatoarele sensibile la căldură, sensibile la sensibilitate și sensibil la masă se disting. În plus, sunt utilizați senzori de piezoresonanță cu o ieșire de amplitudine. La acești senzori, operând la o frecvență apropiată de rezonanță, amplitudinea oscilațiilor variază odată cu modificarea pierderilor acustice.
In construirea senzorului piezoresonance cerințe evidente piezo rezonatorul: un Q-factor de mare, sensibilitate ridicată la valoarea măsurată, sensibilitate scăzută la destabilizator factorilor și posibilitatea depunerilor de excitație vibrațională la doar o singură frecvență, adică, monofrequency. Aceste cerințe sunt prevăzute cu, în primul rând, pentru acest tip de element piezoelectric de tip tăiat și oscilația excitat în elementul piezoelectric. Într-adevăr, dacă luăm în considerare placa Y tăiată, atunci când aplicăm câmpul în direcția axei Y, în ea apar deformările e5 și e6. deformând un XZ piezoelectric elementului (deformarea de forfecare a lungul feței), în plan și planul xy (deformarea de forfecare în grosime). Cu toate acestea, dimensiunile geometrice care determină frecvența de rezonanță sunt diferite în aceste cazuri. Frecvența naturală a oscilației de forfecare a lungul feței este semnificativ mai mică decât frecvența de oscilație forfecare grosime, si bla monofrequency Godard această condiție este îndeplinită în mod satisfăcător. Rezonatorul piezo controlat este utilizat cel mai frecvent oscilații de forfecare grosime (deși alte tipuri de oscilație), pentru că în acest tip de oscilație energie de vibrație de concentrare etsya în zona subelectrode a piezoelement. Regiunile periferice ale electrodului sunt practic lipsite de vibrații elastice, ceea ce permite fixarea elementului piezoelectric fără deteriorarea semnificativă a valorilor Q. Atenuarea amplitudinii vibrațiilor la r'h „/ (rh) = 0,02 (r“ și h „- grosimea electrodului și densitatea, r și h-Ness și Plot grosimea elementului piezoelectric) într-un punct îndepărtat de electrod muchiile 15 h. nu este mai mic de 40 dB. Atunci când se utilizează un rezonator de lentilă, efectul de localizare a energiei poate fi și mai mare.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: