Расчет преобразователя

При проектировании пьезодатчиков одним из основных является вопрос о выборе пьезоэлектрического материала.

При выборе материала следует учитывать его характеристики: значения пьезоэлектрических коэффициентов d и g, диэлектрической проницаемости ε, модуля упругости Е и плотности δ.

Коэффициент d, называемый пьезомодулем, описывает основную чувствительность пьезоматериала и определяет величину электрического заряда, генерируемого при приложении определенной силы. Данное определение приводит к основному уравнению для пьезоэлектрических материалов:

, (1)

где Q - электрический заряд, Кл; - сила, Н; - напряжение, В;

С - емкость, Ф.

Важным параметром пьезоматериала является диэлектрическая проницаемость ε. Этот параметр влияет на собственную емкость преобразователя С0, который определяется по формуле:

, (2)

где s - площадь пьезоэлемента, м2; l - толщина пьезоэлемента, м.

ε - диэлектрическая проницаемость.

Также диэлектрическая проницаемость влияет на напряжение U на выходе датчика, определяемое выражением:

, (3)

где СΣ - суммарная емкость, Ф, которая находится как:

CΣ = С0+Ск+Свх,

где Ск - емкость кабеля, Ф; Свх - входная емкость усилителя, Ф.

Казалось бы необходимо выбирать материалы с возможно меньшим значением диэлектрической проницаемости ε. Но выбор материала с малым ε, т.е. с малой собственной емкостью, резко увеличивает внутреннее сопротивление преобразователя на низких частотах, что повышает требования к входной цепи измерительного усилителя. Поэтому, когда необходимо расширить частотный диапазон в области низких частот, лучше выбирать материалы с большим значением ε [1].

Коэффициент gij является постоянной для пьезоматериала в случае разомкнутой цепи. Эта постоянная описывает чувствительность по напряжению пьезоэлемента и определяется как:

. (4)

Коэффициент gij наиболее удобен для расчета выходного напряжения пьезоэлектрического преобразователя, если не рассматривается шунтирующая емкость.

Связь постоянной gij c пьезоэлектрической постоянной dij выражается следующим равенством:

, (5)

где ε0 - электрическая постоянная.

Так как в датчиках пьезоэлемент обычно действует как механическая пружина, то все механические характеристики будут зависеть от упругости пьезоэлемента, а значит будут определятся модулем упругости Е материала, а также в некоторой степени и плотностью материала δ. Поэтому предпочтительнее выбирать материалы с большим значением упругости и меньшей плотностью.

Наиболее полной характеристикой пьезоэлектриков как преобразователей механической энергии в электрическую является коэффициент полезного действия. Этот КПД зависит только от свойств материала:

. (6)

С точки зрения полноты использования входной энергии, характеризуемой k2, наилучшим материалом является сегнетова соль, наихудшим - кварц.

Похожые стьтьи по экономике

Расчет параметров цепи, входного и выходного сигналов
Рассчитываемые характеристики 1. Спектральная плотность входного сигнала, амплитудный и фазовый спектр, ширина спектра, корреляционная функция. 2. Частотный коэффициент пе ...

Датчик силы с пределами чувствительности
Любая автоматизация предполагает управление техническим процессом на основе сбора, обработки и накопления информации. Поэтому неотъемлемую часть автоматических устройств и автоматизированных систем уп ...

Проект системы цифрового телевещания для микрорайона
Концепция внедрения наземного цифрового телевизионного вещания (НЦТВ) в части определения концептуальных положений использования радиочастотного спектра охватывает основополагающие вопросы создания ци ...

Разделы

© 2020 - www.frontinformatics.ru