 |
Пьезоэлектрические преобразователи давления
|
|
|
|
Электрические датчики давления
В данных приборах измеряемое давление, оказывая воздействия на чувствительный элемент, изменяет его собственные электрические пара- метры: сопротивление, ёмкость или заряд, которые становятся мерой этого давления. Подавляющее большинство современных общепромышленных ИПД реализовано на основе трех основных принципов:
1) емкостные – используют упругий чувствительный элемент в виде конденсатора с переменным зазором: смещение или прогиб под действием прилагаемого давления подвижного электрода-мембраны относительно неподвижного изменяет его ёмкость;
2) пьезоэлектрические – основаны на зависимости поляризованного заряда или резонансной частоты пьезокристаллов: кварца, турмалина и других от прилагаемого к ним давления;
3) тензорезисторные – используют зависимость активного сопро-
тивления проводника или полупроводника от степени его деформации.
В последние годы получили развитие и другие принципы работы ИПД: волоконно-оптические, индукционные, гальваномагнитные, объем- ного сжатия, акустические, диффузионные и т.д.
На сегодняшний день самыми популярными в России являются тен-
зорезисторные ИПД.
Емкостные преобразователи давления
Принцип действия емкостных преобразователей основан на измене- нии емкости переменного конденсатора С под воздействием преобразуе- мой неэлектрической величины (например, давления). Емкость конденса- тора зависит от таких параметров как расстояние между пластинами (об-
кладками) δ, площадь пластин S, диэлектрическая постоянная между пла-
стинами E.
Наибольшее применение в системах автоматики получили плоскопа- раллельные и цилиндрические преобразователи. На рис. 3.12 схематически изображено устройство плоскопараллельных емкостных преобразователей,
|
|
|
основанных на трех принципах: изменении величины зазора δмежду пла-
стинами (обкладками) конденсатора, причем одной из пластин может быть поверхность объекта (детали), не входящего в состав преобразователя (рис.
3.12, а); изменении площади S перекрытия пластин в результате их относи- тельного смещения (рис. 3.12, б); изменении диэлектрической проницае- мости материала E (рис. 3.12, в).
Характеристика управления емкостного плоскопараллельного пре-
образователя с изменяющимся воздушным зазором определяется выраже-
нием:
(3.5)
где С - емкость конденсатора, Ф; δ - расстояние между обкладками, м; E -
абсолютная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками,
Ф/м; S — площадь обкладок, м2.
Рис.3.12. Емкостные преобразователи:
а - с изменяющейся величиной зазора; б - с изменяющейся площадью; в - с изменяющейся диэлектрической проницаемостью
В первом случае емкость изменяется по гиперболическому закону,
во втором и третьем – линейно.
Основными достоинствами емкостных преобразователей являются: высокая чувствительность (до 500 В/мм); простота конструкции; малые размеры и масса; малая инерционность; высокая точность и стабильность характеристик.
К недостаткам следует отнести: большое внутреннее сопротивление; влияние на работу преобразователя паразитных емкостей (требуется экра- нировка); необходимость усиления снимаемого сигнала; потребность ис- точника напряжения высокой частоты; сильное влияние изменения темпе- ратуры, влажности и загрязненности окружающей среды; для достижения максимальной чувствительности монтаж следует производить короткими проводами, что не всегда удобно.
Пьезоэлектрические преобразователи давления
Действие пьезоэлектрических преобразователей основано на свойст- ве некоторых кристаллических веществ создавать электрические заряды под действием механической силы. Это явление, называемое пьезоэффек- том, характерно для кристаллов кварца, турмалина, сегнетовой соли, тита- ната бария и некоторых других веществ. Особенностью пьезоэффекта яв- ляется его безынерционность. Заряды возникают мгновенно в момент при- ложения силы. Это обстоятельство делает пьезоэлектрические приборы не- заменимыми при измерении и исследовании быстропротекающих
|
|
|
процессов, связанных с изменением давления (индицирование быстроходных двигателей, изучение явлений кавитации, взрывных реакций и т.п.).
Для изготовления пьезоэлектрических датчиков наиболее широко применяют кварц, сочетающий хорошие пьезоэлектрические свойства с большой механической прочностью, высокими изоляционными свойства- ми и независимостью пьезоэлектрической характеристики в широких пре- делах от изменения температуры.
Элементарной структурной ячейкой является шестигранная призма
(рис. 3.13).
Рис. 3.13. Схема кристалла кварца
В кристаллах кварца различают продольную ось ZZ, называемую оп- тической осью, ось XX, проходящую через ребра призмы (электрическую ось), и ось YY, проходящую через середины противолежащих граней (ме- ханическая или нейтральная). Если из кристалла кварца вырезать паралле- лепипед так, чтобы его грани были расположены перпендикулярно осям YY и XX, то он будет обладать пьезоэлектрическими свойствами. Силы, приложенные к параллелепипеду в направлении оси ZZ, не вызывают элек- тризации, а растягивающая или сжимающая силы Fx, приложенные в на- правлении электрической оси, вызывают появление разноименных зарядов на гранях, перпендикулярных к этой оси (продольный пьезоэффект). Заряд, возникающий на гранях, равен:
qx = kFx = k·Px·Sx, (3.6) где Px и Fx - давление и сила, действующие на грань; Sx - площадь грани; k - постоянная величина, так называемый, пьезоэлектрический модуль.
Пьезоэлектрическая постоянная кварца практически не зависит от температуры до 500°С. При температуре выше 500°С она быстро уменьша- ется и при температуре 570°С становится равной нулю, т. е. кварц теряет
пьезоэлектрические свойства. Пьезоэлектрические приборы позволяют из-
мерять давление до 100МПа;
|
|
|
