Электростатические первичные преобразователи. Пьезоэлектрические ПП. Характеристики. Область применения.

Электростатические первичные преобразователи

Пьезоэлектрические чувствительные элементы Принцип действия пьезоэлектрических чувствительных элементов основан на использовании свойств некоторых кристаллов образовывать на своих гранях электростатические заряды под действием упругих деформаций.

 

Рисунок 90 - Кварцевый кристалл (О — оптическая ось; х — электрическая ось)

 

Так называемый пьезоэффект возникает на кристаллах кварца, турмалина, сегнетовой соли (калийно-натриевая соль винной кислоты), титаната бария и некоторых других веществ. Пьезоэлектрические чувствительные элементы позволяют контролировать быстро протекающие процессы, так как заряды образуются практически безынерционно. Для измерений почти всегда применяют кварц, имеющий низкую температурную чувствительность обладающий большим модулем упругости (810¹⁰ Н/м²), позволяющим осуществлять измерения при ничтожно малых перемещениях. Кристаллы кварца представляют собой шестиугольные призмы (рис.) с продольной, называемой оптической, осью о — z., проходящей через ребра призмы электрической осью х — х и нейтральной, или механической, осью у—у, проходящей через середины противолежащих граней. Вырезанный из кварцевого кристалла прямоугольный параллелепипед (пластина), грани которого перпендикулярны осям у—у и х — х, обладает пьезоэлектрическими свойствами.

Сила, направленная по оси о— z параллелепипеда, не возбуждает электрических зарядов на его гранях. Под действием растягивающего или сжимающего усилия, направленного вдоль электрической оси х — х, на перпендикулярных этой оси гранях возникают заряды разного знака (так называемый продольный эффект).

Этот заряд равен Q_х ⁼ dF_х, где Q_х - заряд; d — постоянный коэффициент (пьезомодуль); F_х -сила, действующая на поверхность кристалла. Как видно из приведенного выше уравнения, Q_х не зависит от размеров кристалла кварца. Нагрузки, действующие в направляй механической оси кристалла, вызывают возникновение заряда:

Q_у=d ·l_у/l_х ·F_у

 

где 1_Х и 1_у — размеры кристалла в направлениях осей х и у. При поперечном эффекте Q_у зависит от размеров кристалла. Условия прочности не позволяют получить большие заряды за счет увеличения 1_у и снижения 1_Х, поэтому практически используют лишь продольный пьезоэффект. При температурах выше 500 °С пьезоэффект исчезает. Температура 537 °С, при которой структура кварца переходит в структуру, не обладающую пьезоэлектрическим эффектам, называется точкой Кюри. Для измерения электрических зарядов, возникающих на гранях кварцевой пластины, последние покрывают металлическим слоем, образуя конденсатор. Так как Q = СUто напряжение кристалле

U=Q/C=dF/C₀+C_s,

где С₀ — емкость кварца; С_s --неизбежная емкость проводов и подключенных устройств. Обычно емкость С_s превышает емкость пьезокристалла Со, что резко снижает полезный эффект. Поэтому С_s искусственно увеличивают параллельным соединением нескольких пластин; выбор их числа позволяет изменять диапазон измерения.Величина С_s учитывает и емкость кабеля, поэтому подводящие провода поставляют изготовители, а численное значение их емкости учитывают при калибровке.

Характеристики пьезопреобразователей. Входная величина: сила, давление. Выходная, величина: заряд. Диапазон измерения:до самых высоких давлений и усилий. Погрешность: ±(1—3) % верхнего значения диапазона измерения. Динамическая характеристика: верхняя граница частот не определена.

Преимущества: широкий диапазон рабочих температур, минимальные упругие деформации, очень широкий диапазон измерений, высокая чувствительность. Недостатки: необходимость обеспечения очень высокого сопротивления изоляции, непригодность для статических измерений.

80. Реостатные ПП, тензорезисторы. Принципы работы, характеристики. Область применения

Реостатные ПП. Основаны на изменении сопротивления резистора за счет перемещения скользящего контакта. Выполняются с продольным или круговым перемещением. При приложении усилия или крутящего момента продольное или угловое перемещение преобразуется в изменение сопротивления и напряжения и тока. Линейная зависимость между перемещением ползунка и напряжением, снимаемым с датчика при включении по схеме делителя напряжения при включении по схеме делителя напряжения, обеспечивается при высокоомных измерителях напряжения.

Используют компенсационные методы измерения.Применяют измерительные потенциометры.Изменение сопротивления связано нелинейной зависимостью с сопротивлением ползунка.Потенциометры могут иметь квадратичную,синусоидальную или другую,отвечающую специальным требованиям харак-ку.

Для обеспечения обратной реакции необходимые для перемещения ползунка силы или моменты должны быть минимальны,что достигается в прецизионных потенциометрах. Значение имеет разрешающая способность чувствительного элемента,определяемая изменением сопротивления м/у двумя соседними витками обмотки.

Харак-ки реостатных датчиков. Входная величина линейное или угловое перемещение.Выходная величина изменение сопротивления.Диапазон измерения линейный до 60 мм,угловой до 355 .Погрешность от нелинейности харак-ки 0,1-0,3%.

Динамические харак-ки(частотный диапазон) зависит от параметров механических преобразователей,включенных перед потенциометром, при линейных и угловых измерениях до 5 и до 100 Гц соответственно.

Преимущества:малые погрешности нелийности.Высокое разрешение,применимость в вычислительных устройствах.

Недостатки: истирание обмотки и ползунка,нарушение контакта.

 

Тензорезисторы. При растяжении ил и сжатии проводника изменяются его длина,площадь сещения и удельное сопротивление,т.е из трех величин,определяющих значение сопротивления,ни одна не остается постоянной.Указанные изменения зависят от направления приложенной силы и в пределах упругости пропорциональны ей.В нагруженном состоянии сопротивление R проводника,имеющую длину l,определяется его сечением q и удельном сопротивлением p

R=pl/q

При растяжении проводника его длина становится равной l (1+∆l/l),а сечение q(1-2µ∆l/l),где µ-коэф-т Пуассона,определяющий отношение поперечного сжатия к растяжению ∆l/l(для большинства металлов µ=0,3)

Сопротивление растянутой проволоки

R=l(1+ε)p(1+ĩ)/q(1-2µε)

Коэф-т к –крутизна харак-ки чувствительного элемента(тензочувстивительность)равна

К=1/ε=1+2µ+ĩ/ε

Проволочный тензометрический элемент (тензорезистор):

1-подложка,2-измерительная проволока,3-соединительные провода.

Для изготовления тензочувствительных элементов применяют и полупрводниковые материалы, где с изменением геометрических размеров меняется удельное сопротивление,и тензочувстиветельность К достигет 180 и более.Диаметр проволоки 20-30 мкм,что обеспечивает большое сопротивление и эластичность,позволяющую проволоке следовать за деформацией испытуемого материала.В качестве подложки используют бумагу с полимерным покрытием.

Недостатком полупроводниковых тензорезисторов является большая зависимость коэффициент К от температуры.

Характеристика тензорезисторов. входная величина:перемещение.Выходная величина:изменение сопротивления.Диапазон измерения:5 мкм (механическое растяжение или сжатие упругого элемента)Погр-ть нелинейности:0,05%.Частотный дмапазон:0-10 Гц.

Достоинства: малая пог-ть,универсальность применения,невысокая стоимость,вибростойкость.

Недостатки: крайне низкая чувствительность,необходимость больших нагрузок, чувстви тельность к изменениям влажности и температуры,необходимость тщательно -го приклеивания.

Область применения

Тензорезисторы предназначены для исследования электрическим методом напряженных состояний материалов, вызванных приложенной силой. Они применяются не только для механизмов и подвижных объектов, но также и в различных областях, включая электрическое оборудование, гражданское строительство, химию и медицину. Тензорезисторы позволяют обнаружить незаметные удлинения или деформации, встречающихся в конструкциях. Измерение таких удлинений позволяет измерить механическое напряжение от приложенной к объекту нагрузки. Напряжение - важный фактор, обуславливающий прочность и безопасность конструкций.

 

82.Емкостные первичные преобразователи. Чувствительные элементы с изменяющимся зазором и площадью пластин. Принципы работы, характеристики. Область применения.

Ёмкостный датчик — преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение ёмкости конденсатора

Специальная схема преобразует изменение ёмкости в пороговый сигнал датчика (например сухой контакт). В простейших датчиках это обычно мультивибратор, преобразователь «частота (или скважность)-напряжение» и компаратор. Иногда, если изменение ёмкости в ответ на воздействие невелико, приходится ставить схемы на микроконтроллерах, которые занимаются автоподстройкой чувствительности и нуля датчика.

Ёмкостные датчики получили широкое распространение там, где необходимо контролировать появление слабопроводящих жидкостей, например воды. Это датчики уровня жидкости, датчики дождя в автомобилях, датчики в сенсорных кнопках на бытовой технике (в живых тканях много воды) и т. п.

Основные преимущества ёмкостных датчиков: высокий порог чувствительности и небольшая инерционность. Основные недостатки: сильное влияние внешних электромагнитных полей. Специфическая разновидность датчиков — сенсорные экраны на ёмкостном принципе.

Емкостные чувствительные элементы

Ёмкость плоского конденсатора без учета краевого эффекта определяется уравнением

С = ε₀е_rrА/d

где ε₀ = 8,8542 ·10^-12 А-с/(В-м:) - диэлектрическая постоянная} ε_г - относительная диэлектрическая проницаемость среды, находящейся между пластинами конденсатора; А - площадь пластин; d - расстояние между ними. Емкость конденсатора изменяется при изменении площади пластин, расстояния между ними (зазора) и диэлектрической проницаемости материала.

Чувствительные элементы с изменяющимся зазором. При изменении зазора dмежду пластинами (рис. 91) на величину емкость конденсатора определяется уравнением

C=ε₀ε_rrA/d+ d

 

Рисунок 91 - Плоский конденсатор с изменяющимся зазором

Только при малых относительных изменениях зазора d /d зависимость между С/С и d /dпрактически линейна. При d /d = 0.1 нелинейность составляет 10%, при d /d = 0,01 ~ 1 %.

Характеристика элементов

Входная величина: перемещение. Выходная величина: изменение емкости. Диапазон измерения: до 1 мм. Погрешность от нелинейности: 1—3 %. Частотный диапазон: 0—10⁵ Гц.

Преимущества: малая величина необходимых для измерений усилий; достаточная чувствительность при высоких температурах. Недостатки: чувствительность нелинейна; очень большое внутреннее сопротивление; необходимость применения коротких подводящих проводов; чувствительность к электрическим помехам.

Чувствительный элемент с изменяющейся площадью пластин В уравнении емкости конденсатора величина А представляет собой площадь взаимного перекрытия пластин. Смещением пластин относительно друг друга на величину S можно изменить площадь их перекрытия, причем для пластин прямоугольной зависимость А = bS линейна (рис. 92). Поскольку величина A находится в числителе уравнения емкости конденсатора С

то C линейно зависит от S. Использование пластин различной формы позволяет получить квадратичные, логарифмические и т.п зависимости. Конденсатор переменной емкости, состоящий из круглых поворотных пластин, применим для измерения угла поворота.

Рисунок 92 - Плоский конденсатор с изменяющимся перекрытиел

пластин

 

 

⇐ Предыдущая123

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: