Чувствительность пьезодатчика при параллельном соединении пластинок:
,
(1.5.1)
где Ко- пьезоэлектрическая постоянная (пьезомодуль);
n- число параллельно соединенных пластин;
Со- емкость одной пластины (датчика);
Свх- емкость измерительной цепи.
Емкость датчика:
,
(1.5.2)
где er- диэлектрическая постоянная материала пластинки, ф/м;
Sx- площадь грани, перпендикулярной оси Х, см2;
d- толщина пластинки в направлении оси Х, мм.
При параллельном соединении пластинок напряжение между обкладками:
,
(1.5.3)
,
(1.5.4)
,
(1.5.5)
где
- чувствительность датчика.
Область применения:
1) измерение вибраций;
2) измерение давлений;
3) измерение усилий;
4) измерение сосредоточенных сил;
5) измерение ускорений.
2 Ультразвуковые датчики
Основные понятия
Ультразвук применяется в гидроакустике и в промышленности для очистки, мойки, обезжиривания деталей, механической обработки и сварки, приготовления эмульсий, при дефектоскопии деталей, а также в ряде приборов - расходометрах, газоконцентраторах и др.
В зависимости от назначения и среды, в которой используются ультразвуковые преобразователи, их конструкция существенно отличается.
На частотах в десятки килогерц основное применение получили преобразователи, которые выполняются в виде монолитных пьезокерамических элементов, либо в виде составных устройств.
Рисунок 1.5.3- Схема ультразвукового преобразователя с пьезоэлектрическим бруском
1- передняя обкладка;
2- металлический корпус;
3- экран из пенопласта;
4- коаксиальный кабель;
5- пьезокерамический элемент.
КПД=60%, мощность излучения-11 Вт/см2.
На частотах в сотни килогерц применяются мозаичные пьезокерамические преобразователи. Они могут иметь сферическую, цилиндрическую, короткообразную и другую форму.
Измерение температуры ультразвуковым методом
Диапазон температур, измеряемых с помощью ультразвуковых термопреобразователей очень широк - от абсолютного нуля до температуры плазмы.
Имеется акустическая система состоящая из:
1) ультразвукового приемопередатчика с магнитным излучателем;
2) звукового моста;
3) чувствительного элемента в виде тонкой проволоки.
Прибор регистрирует интервалы времени между звуковыми импульсами, отраженными от обоих концов чувствительного элемента, в качестве которого используется вольфрам, рений.
Чувствительным элементом может служить газ или жидкость. Такие преобразователи применяются в ядерных реакторах.
Так как скорость звука в газе легко вычислить по известным формулам, ультразвуковые термопреобразователи с чувствительным газовым элементом применяются в качестве образцовых.
Ультразвуковые преобразователи могут использоваться в режимах излучения и приема.
Разработаны приборы для контроля расхода жидких и газообразных сред, основанные на новых принципах измерения: ультразвуковые, радиоактивные; они позволяют измерять расходы таких сред, которые обычными средствами измерить нельзя.
Ультразвуковые расходометры типа УЗР предназначены для измерения расхода агрессивных сред при температуре до 60°С, предел измерения от 5 кубометров в час и выше, погрешности измерения - 1,5%.
Рисунок 1.5.4- Блок- схема импульсного ультразвукового дефектоскопа
1- импульсный генератор;
2- излучающая пластина;
3- ультразвуковые колебания;
4- исследуемое изделие;
5- усилитель;
6- следящее устройство, двигающее электронный луч;
7- электронно-лучевая трубка;
8- начальный импульс;
9- приемная пластина;
10- данный импульс;
11- дефект;
12- импульс дефекта;
13- блок питания.
От импульсного генератора 1 на пластину 2 подаются кратковременные импульсы переменного напряжения. В пластине возбуждаются колебания ультразвуковой частоты 3, которые передаются в исследуемое изделие, Такой же импульс подается на усилитель 5, и на следящее устройство 6, заставляющее электронный луч в электронно-лучевой трубке 7 передвигаться слева направо по горизонтали, Луч прочерчивает светящуюся линию, появляется светящийся всплеск 8-начальный импульс. При отсутствии дефекта в изделии ультразвуковой пучок 3 пройдет до противоположной поверхности, отразится от нее, попадет на приемную пластину 9, заставляя ее колебаться. На пластинке 9 возникает разность потенциалов, которая усиливается; сигнал поступает на электронно-лучевую трубку, на правой стороне экрана появится всплеск, называемый данным импульсом 10 (отраженный от дна изделия).
Если есть дефект, то пучок отразится от него раньше, чем от дна и раньше попадет на приемную пластинку и на экране появится импульс 12, указывающий на дефект, По расстоянию между импульсами можно определить глубину залегания дефекта.
Рисунок 1.5.5- Схема дефектоскопа с преобразованием ультразвуковых колебаний в
видимые изображения дефектов
1- излучатель;
2- контролируемое изделие;
3- акустическая линза;
4- пучок света;
5- экран;
6- дефект.
Если дефекта нет колебания жидкости одинаково отражаются на экране. Если дефект присутствует, то образуется звуковая тень, жидкость не колеблется, свет отражается неравномерно, на экране будет пятно, имеющее форму дефекта.