Конструкции многослойных ПП

 

Наиболее распространенныеконструкции многослойных ПЭ преобразователей изображены на рис. 2. Преобразователь состоит из двух пьезокерамических пластин 1, излучающей накладки 2, отражающей накладки 3, прокладок 4 из мягкой фольги и стягивающего болта 5. Для соединения применяется склеивание, пайка или шпилька, а резьбовые соединения делают прослабленными. Шпилька наиболее простое соединение. Усилие сжатия такого пакета должно превышать возникающие при работе ПП растягивающие механические напряжения в 1,2 – 1,5 раза. Клеят эпоксидным клеем или паяют припоями с t_пл < температуры Кюри ПЭ. Величина коэффициента отражения зависит от состояния контактирующих поверхностей накладок и керамики. Поэтому сопрягаемые поверхности тщательно полируются и притираются. При склеивании между ними не должно быть пузырьков воздуха. При работе преобразователь нагревается за счет электрических потерь. Особенно сильно пакет греется, если пластина ПЭ оказывается точно в узле колебаний, а металлические накладки имеют высокое волновое сопротивление. При нагреве резонансная частота преобразователя уходит (меняет свое значение). В большинстве случаев удобно иметь заземленные металлические накладки, так их легче крепить в оборудовании и не надо вводить деталей для электрической изоляции преобразователя. С этой целью активные элементы пакета набирают из нескольких деталей. Например, из двух шайб. Тогда между ними можно установить токоподводящую шайбу, а металлические накладки заземлить. При сборке пакета надо помнить, что соприкасающиеся стороны ПЭ элементов должны иметь одинаковый знак поляризации, например «+». Если отсутствует маркировка заводская, то знак поляризации определяется экспериментально.

 

Рисунок 2 – Конструкции многослойных преобразователей.

А) – с фланцевым креплением; б) – с центральным болтом; в) – с центральным болтом Т-образной формы.

1 – пьезокерамические пластины, 2 – излучающая накладка, 3 – отражающая накладка, 4 – прокладка, 5 – болт стягивающий, 6 – контактны.

 

Схема замещения ПП

 

Каждый тип ПП описывается своей электромеханической схемой замещения. Тем не менее, все схемы могут быть пересчитаны в чисто электрическую схему одного вида.

 

 Рисунок 3 – Схема замещения ПП к электрическим величинам

 

Здесь:

L_M – индуктивность, эквивалентная колеблющейся массе ПКП;

С_М – емкость, эквивалентная гибкости ПКП;

R_П – активное сопротивление, эквивалентное сопротивлению механических потерь;

R_S – активное сопротивление, эквивалентное сопротивлению излучения (нагрузки);

С_Э – емкость, эквивалентная электрической емкости пьезоэлектрическогопакета.

Сопротивление механических потерь обусловлено внутренним трением частиц материала при колебаниях. Силы трения пропорциональны колебательным скоростям. Коэффициент пропорциональности между ними и есть механическое сопротивление, в котором выделяется мощность потерь. Для каждого элементарного объема колеблющейся массы верно соотношение:

 , (15)

 где F_трi – сила внутреннего трения i-го объема;

  V_i – колебательная скорость;

  R_пi – сопротивления потерь i-го объема.

Сопротивление излучения R_S – определяется параметрами излучателя и пропорционально волновому сопротивлению окружающей среды:

 R_Si = ∙c_i ρ_i (16)

Электрическая емкость С_Э – обусловлена геометрическими размерами и величиной диэлектрической проницаемости материала пьезоэлектрика:

, (17)

 где S – площадь металлизации пьезоэлектрика;

  l – толщина пьезоэлектрика.

Индуктивность L_M – используется как электрическая величина, которая определяет кинетическую энергию колеблющейся массы (пропорционально квадраты колебательной скорости).

Емкость С_М – используется как электрический аналог потенциальной энергии колеблющейся массы (пропорциональна упругому смещению).