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        從研發認識計為

        物位測量產品中壓電陶瓷組件的靜態電容匹配

        2014-08-09

          自壓電陶瓷發明一百多年來,已廣泛應用于日常消費的電子產品、工業自動化測量、軍事裝備、乃至宇航等各個領域。二十世紀六七十年代,人們發明了基于利用壓電陶瓷驅動和檢測的振動式音叉液位開關,其組件已成為振動式音叉液位開關的核心部件。壓電陶瓷的性能品質直接影響振動式音叉物位開關產品的品質、可靠性和壽命。目前,壟斷國內高端物位測量與控制市場的進口振動式音叉物位開關,幾乎都選用國際知名品牌的壓電陶瓷。壓電陶瓷根據其成分組成和生產工藝不同,造就了眾多型號,性能指標也差異極大。振動式音叉物位開關對壓電陶瓷性能指標要求、選型和產品設計中如何應用是國內同行迫切需要了解的核心技術問題,它決定著國產振動式音叉物位開關能否與進口產品競爭,能否奪回被進口產品壟斷的高端市場。本篇小文章就其壓電陶瓷組件中各壓電陶瓷片靜態電容如何相互匹配這一問題提出我們見解,以供同行參考。
          作為傳感器使用時,壓電陶瓷能將極其微弱的機械振動轉換成電信號。在壓電陶瓷兩端施加一定規律的變化電壓,壓電陶瓷在電場作用下將產生一定規律的微小形變,基于這個原理制作的精確控制機構——壓電驅動器。正是利用了壓電陶瓷的這兩種特性,把它作為振動探頭驅動和檢測的器件,人們發明了振動式料位開關和液位開關,并在過去幾十年時間里廣泛應用于各行各業,并且經久不衰。

          在深圳計為自動化技術有限公司研發的振棒料位開關音叉液位開關產品中,使用了6片壓電陶瓷作為振動驅動(應用壓電陶瓷的逆壓電效應),在結構上采取機械上串聯、電學上并聯的形式;同時,使用1片壓電陶瓷作為檢測(應用壓電陶瓷的壓電效應)。作為驅動振動的6片壓電陶瓷和作為檢測的1片壓電陶瓷共同組成壓電陶瓷組件。計為自動化研發工程師經過大量試驗證明,這由6+1組成的壓電組件中,各個壓電陶瓷片靜態電容必須相互匹配,靜態電容不匹配會導致探頭振動微弱甚至無法振動,造成儀表無法可靠工作。那么如何讓這6+1壓電陶瓷片靜態電容相互匹配呢?使用前,利用LCR數字電橋測量每片壓電陶瓷的靜態電容Cp值。以6片為一組,選用平均電容值差值相互間在±5%以內的壓電陶瓷成一組作為驅動,并選擇靜態電容與該6片電容值平均值盡量接近的壓電陶瓷片作為檢測,由此選得6+1壓電陶瓷片組成壓電陶瓷組件。經過這種匹配挑選的作為驅動的壓電陶瓷片,能保證工作時6片驅動片相位同步,實現振動探頭處于最佳振動狀態,而且檢測片檢測出的電壓值也是最大值,輸出電信號信噪比為最高,方便信號處理電路進一步分析處理。


        (深圳計為自動化技術有限公司研發中心2014年8月9日發布)

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