Повышение чувствительности датчиков тонов Короткова

Экспериментально установлено, что пьезомодуль d31 увеличивается под действием напряжения ос, перпендикулярного полярной оси. Изменение пьезомодуля связано с переориентацией доменов в пьезокерамике под действием механического напряжения.

Пусть на керамику действует одномерное сжимающее напряжение а3, направленное поперёк оси OZ, совпадающее с направлением вектора остаточной поляризации.

Компоненты тензора напряжений запишутся следующим образом:

где v, ср — углы, образованные соответствующими осями координат после поворота домена к первоначальному состоянию.

В случае сжатия поляризованной керамики поперёк оси Z её поляризация увеличивается на величину АРг за счёт переориентации полярных осей доменов. Величину изменения поляризации АР можно вычислить, интегрируя выражение:

После простейших преобразований получаем:

где Z2 = (cos2 v — ос / / sin2 v; ос — значение внешнего одномерного

механического напряжения; а1с — критическое механическое напряжение, при котором происходит поворот полярной оси доменов на 90°.

На рисунке 6.26 приведена экспериментальная зависимость пьезомодуля <331 от величины напряжения ас. Из этого рисунка следует, что существует возможность управления чувствительностью симметричного диморфного пьезоэлемента.

Вариант конструкции датчика, реализующего эту идею, показан на рисунке 6.27. Здесь, используя винт 4, можно в достаточно широких пределах (в 2...5 раз) управлять чувствительность пьезодатчика.

Полезно отметить, что рассмотренный (рис. 6.27) ДТК (а, по существу, датчик звукового давления) легко преобразуется в датчик статического давления (рис. 6.28). Датчик возбуждается гармоническим звуковым давлением Рзв от громкоговорителя 4, выходное напряжение измеряется милливольтметром 3.

Зависимость изменения пьезомодуля d под действием механического напряжения о

Рис. 6.26. Зависимость изменения пьезомодуля d31 под действием механического напряжения ос

ДТК

Рис. 6.27. ДТК:

1,2 — пьезоэлементы; 3 — кольцо; 4 — винт

Датчик статических усилий

Рис. 6.28. Датчик статических усилий:

  • 1 — биморфный элемент; 2 — генератор; 3 — измерительный прибор;
  • 4 — громкоговоритель

Следует отметить, что, в отличие от резонансных преобразователей пьезотрансформаторного типа, здесь возбуждение может производиться на любой частоте, а не только на резонансной. Кроме того, возможность акустического возбуждения биморфного элемента может быть использована в тех случаях, когда доступ к датчику затруднён (например, измерение усилий в замкнутых объёмах).

При рассмотрении асимметричных биморфных элементов показано, что при оптимальном выборе размеров пьезоэлемента и металлической пластины может быть достигнута максимальная чувствительность.

Аналогичные результаты могут быть достигнуты и для биморфного элемента, состоящего из двух пьезоэлементов, в котором диаметры пьезоэлементов, в отличие от традиционной конструкции, не равны друг другу (рис. 6.29). Здесь необходимо сделать некоторые комментарии относительно применяемых терминов «симметричные» и «асимметричные» биморфные элементы.

Конструкция асимметричного биморфного элемента

Рис. 6.29. Конструкция асимметричного биморфного элемента:

1,2 — пьезоэлементы

Известные симметричные биморфные элементы состоят из двух пьезоэлементов одинаковых размеров и формы, изготовленных из одного и того же материала. Таким образом, такие биморфные элементы имеют полную геометрическую и материальную симметрию. Изображённый на рисунке 6.29 биморфный элемент имеет осевую симметрию, но несимметричен относительно нейтральной плоскости. Кроме того, если пьезоэлементы изготовлены из одного пьезоматериала, для этого случая можно говорить также о «симметрии» пьезохарактеристик материалов пьезоэлементов.

Как показали эксперименты, для преобразователя, изображённого на рисунке 6.29, при равенстве толщин пьезоэлементов (0,3 мм) чувствительность увеличивается, а минимальная чувствительность достигается при соотношении диаметров пьезоэлементов d1 / d2 = 1,0.

Как уже отмечалось, механическая прочность асимметричных биморфных элементов выше, чем у биморфного элемента, состоящего из двух пьезоэлементов. Естественной платой за это преимущество является снижение почти вдвое чувствительности преобразователя по сравнению с симметричным биморфным элементом.

Выбором материалов металлической пластины и пьезоэлемента, а также их размеров может быть достигнут оптимум чувствительности.

Из этих соображений естественным представляется использование асимметричных биморфных элементов в конструкциях ДТК.

Логичным представляется также исключение из конструкции датчика так называемого пелота (рис. 6.30) (это слово введено в описание к авт. св. № 651786 и Патенту США № 3573394. Смысл этого слова и назначение этого элемента не поясняются) и расположение асимметричного биморфного элемента в непосредственном контакте с предплечьем.

ДТК с асимметричным биморфным пьезоэлементом

Рис. 6.30. ДТК с асимметричным биморфным пьезоэлементом:

1 — корпус; 2 — крышка; 3 — плата согласующего усилителя; 4 — пьезоэлемент

Для расчёта передаточной функции датчика (рис. 6.29) необходимо учитывать, что на поверхности переходного слоя (металлической мембраны), контактирующей с рабочей средой (телом пациента), действуют падающая и отражённая волны давления Рпад и Ротр. Полное давление Рп на поверхности слоя:

С другой стороны,

где ZBX — входной удельный акустический импеданс.

Из выражений (6.17) и (6.18) получаем:

Поскольку сила, действующая на поверхности металлической мембраны, определяется выражением:

то

где А22 — коэффициент матрицы системы датчик-электрическая цепь; U — напряжение на выходе электрической цепи.

Из уравнений четырёхполюсника:

Подставляя (6.21) в (6.20), получаем выражение для передаточной функции датчика:

Для определения коэффициентов Л21 иЛ22 надо составить матричное уравнение датчика с электрической цепью и произвести умножение матриц. После преобразований и подстановки полученных коэффициентов в (6.22) имеем:

где Кп0 = (4е / co0eZ2)e^/2.

Величина Кп0 является максимальным коэффициентом передачи механически недемпфированного датчика, работающего на электрическом холостом ходу на резонансной частоте/0.

Относительно этого коэффициента производится нормирование передаточной функции.

Приведённая передаточная функция датчика не учитывает поглощения в переходных слоях (мембрана, клеевой слой). С учётом поглощения нормированная передаточная функция датчика с одним переходным слоем (металлической мембраной) принимает вид:

где аг = ВД 1М11 =(Х2 + Y2 -JV22)/2;

Зависимость чувствительности от отношения диаметра пьезоэлемента к диаметру мембраны dn / dM показана на рисунке 6.31. Как видно из рисунка 6.31, при dn / dM = 0,5 чувствительность достигает максимума. В данных исследованиях мембрана изготовлялась из полутвёрдой латуни Л63.

Зависимость относительной чувствительности от отношения d / d

Рис. 6.31. Зависимость относительной чувствительности от отношения dn / dM

Увеличение чувствительности датчика может быть достигнуто также за счёт сегментирования электродов пьезоэлемента или самого пьезоэлемента и соединения частей пьезоэлемента с учётом знака и фазы возникающих на них зарядов. В простейшем случае пьезоэлемент можно разделить на две части и склеить с крышкой разнополярными электродами (рис. 6.32).

Тот же эффект достигается, если использовать один пьезоэлемент с разделёнными электродами (рис. 6.33). Варианты соединения таких пьезоэлементов показаны на рисунке 6.34. На рисунке 6.34 а

пьезоэлемент в пределах каждой системы электродов поляризован встречно, на рисунке 6.34 б секции пьезоэлемента соединены между собой дополнительным проводником.

ДТК с двумя пьезоэлементами

Рис. 6.32. ДТК с двумя пьезоэлементами:

1 — корпус; 2, 5 — пьезоэлементы; 3 — плата усилителя; 4 — крышка

Следует, однако, учесть то обстоятельство, что при последовательном соединении частей пьезоэлемента их ёмкость уменьшается, а внутреннее (ёмкостное) сопротивление увеличивается.

Если разделить электроды пьезоэлемента таким образом, чтобы линия деления на одной стороне пьезоэлемента была под углом а к соответствующей линии на второй стороне (рис. 6.33), то в зависимости от угла а чувствительность может находиться в пределах от О до 2S0, где S0 — чувствительность датчика с одним пьезоэлементом.

Деление электродов пьезоэлемента

Рис. 6.33. Деление электродов пьезоэлемента:

а — дисковый пьезоэлемент; б — прямоугольный пьезоэлемент

Схемы соединения электродов пьезоэлементов

Рис. 6.34. Схемы соединения электродов пьезоэлементов:

а — для пьезоэлемента с двумя системами электродов и встречной поляризацией; 6 — для пьезоэлемента с одинаковым направлением поляризации

Дальнейшее увеличение чувствительности ДТК может быть осуществлено благодаря использованию дополнительных пьезоэлементов.

Один из вариантов конструкции такого датчика показан на рисунке 6.35.

ДТК с ассиметричным компланарным пьезоэлементом

Рис. 6.35. ДТК с ассиметричным компланарным пьезоэлементом:

1 — корпус; 2 — крышка; 3 — основной пьезоэлемент; 4 — дополнительный пьезоэлемент; 5 — плата усилителя

Очевидным здесь представляется увеличение чувствительности, в предельном случае — вдвое. Однако такое увеличение чувствительности возможно лишь при соблюдении некоторых условий.

Максимальная чувствительность может быть достигнута, если нейтральная плоскость будет располагаться между металлической пластиной и пьезоэлементом (напомним, что нейтральная плоскость — это, как известно, такая плоскость, с одной стороны которой элемент испытывает при изгибе сжатие, а с другой — растяжение). В этом случае пьезоэлементы испытывают деформацию одного знака и должны соединяться разноимёнными электродами. Максимальная чувствительность может быть также достигнута при расположении нейтральной плоскости между двумя пьезоэлементами. В этом случае пьезоэлементы должны соединяться однополярными электродами.

Во всех других случаях чувствительность будет ниже максимальной, так как закрепление на асимметричном биморфном элементе ещё одного пьезоэлемента приводит к увеличению жёсткости всей системы и, следовательно, к уменьшению чувствительности и увеличению резонансной частоты.

Два конкурирующих процесса — увеличение чувствительности при использовании второго пьезоэлемента и уменьшение чувствительности при увеличении жёсткости при закреплении второго пьезоэлемента — должны приводить к тому, что чувствительность должна достигать максимума при некотором соотношении размеров пьезоэлементов.

Максимум чувствительности S0TH = S / Smax достигается также (рис. 6.36) при отношении площади дополнительного пьезоэлемента Гдоп к площади основного FOCH в пределах

Необходимо отметить также, что расположение нейтральной плоскости зависит не только от размеров пьезоэлементов и мембраны, но и от механических характеристик материалов, из которых они изготовлены (модуль Юнга, коэффициент Пуассона).

Зависимость чувствительности датчика дополнительным компланарным пьезоэлементом от отношения F / F

Рис. 6.36. Зависимость чувствительности датчика дополнительным компланарным пьезоэлементом от отношения Fflon / FOCH

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >