Принцип действия пьезоэлектрического преобразователя.

Действие ПП основано на прямом пьезоэффекте. ПП представляет собой пластину, изготовленную из пьезоэлектричекого материала, на которой есть 2 изолированных друг от друга электрода.

В зависимости от вещества, формы ПП и ориентации кристаллических осей входной величиной могут быть силы, производящие деформацию сжатия, растяжения и деформацию сдвига (т. е. входная величина – момент силы).

Выходной величиной ПП является напряжение на электродах: , где q – пьезоэлектрический заряд; C – емкость, образованная электродами; или , если , то – функция преобразования.

Здесь Q – площадь электродов; – расстояние между электродами; – относительная диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрика.

ЭДС, возникающая на электродах – единицы вольт.

Если действующая сила постоянна, то измерить ЭДС трудно, так как заряд мал и быстро стекает через входное сопротивление вольтметра. Если входное воздействие переменное, то образуется переменная ЭДС, которую измерить значительно проще. Если период изменения силы меньше постоянной времени , определяемой емкостью C ПП и сопротивление и утечки заряда, то процесс утечки не влияет на выходное напряжение ПП.

Схема включения.

ПП является генераторным преобразователем, вырабатывающим ЭДС. Для преобразования ее в датчике имеется вторичный преобразователь, в качестве которого может использоваться вольтметр ~ тока (электронный вольтметр).

На упрощенной эквивалентной схеме ПП:

C – собственная емкость ПП;

C₁ – суммарная емкость соединительного кабеля, входная емкость усилителя и др.;

R – входное сопротивление усилителя;

U – входное напряжение усилителя, падающее на R.

Рабочей областью частот является область, в которой чувствительность S=const. Сверху эта область ограничена резонансом пьезоэлемента. Снизу она определяется постоянной времени .

Индуктивные преобразователи (ип)

Принцип действия и конструкция. ИП – это катушка индуктивности (дроссель), полное сопротивление которой изменяется при взаимном относительном перемещении элементов магнитопровода. две группы ИП:

1) с изменяющейся индуктивностью L;

2) с изменяющимся активным сопротивлением R.

ИП с изменяющимся L.

1 – магнитопровод;

2 – катушка;

3 – подвижный якорь.

1 – катушка;

2 – подвижный ферромагнитный сердечник (плунжер).

ИП с изменяющимся R.

1 – магнитопровод;

2 – пластинка;

3 – катушка.

В первом случае: ИП состоит из П-образного магнитопровода 1 (рис. а), на котором находится катушка 2 и подвижного якоря 3. При перемещении якоря изменяется длина воздушного зазора и, следовательно, магнитное сопротивление Rm, что вызывает изменение L дросселя.

Плунжерный преобразователь представляет собой катушку 1, из которой может выдвигаться плунжер 2. При среднем положении плунжера L максимальна (рис. б).

Во втором случае: ИП состоит из магнитной цепи 1, в зазор которой вводится пластинка 2 с высокой электропроводимостью, в которой наводятся вихревые токи, приводящие к увеличению потерь активной мощности катушки 3. Это эквивалентно увеличению ее активного сопротивления.

Функция преобразования ИП на рис. а) может быть получена с учетом некоторых допущений следующим образом.

Известно, что индуктивность катушки , где – число витков, – пронизывает ее магнитный поток, – ток в катушке.

Ток связан с МДС Hl(F) соотношением , отсюда , где – магнитное сопротивление ИП.

Магнитное сопротивление ИП на рис. а) определяют как R_м=R_ст.+R_з, где R_ст – магнитное сопротивление стали, R_з – магнитное сопротивление воздушных зазоров: , где – длина зазоров;

Q – их сечение;

– магнитная постоянная.

Е сли пренебречь активным сопротивлением дросселя, то функция преобразования, т. е. зависимость электрического сопротивления от размера воздушного зазора определяется таким образом: , что соответствует графику:

Под чувствительностью ИП часто понимают отношение: , таким образом .

Индуктивный преобразователь является электромагнитом, его сила притяжения, возрастающая с увеличением чувствительности, нелинейно зависит от перемещения якоря и может являться причиной погрешности преобразователя, предшествующим индуктивному.

О динарные ИП имеют недостатки: нелинейность функции преобразования; аддитивная погрешность, вызванная температурным изменением активного сопротивления обмотки, велика; значительная сила притяжения якоря.

Этих недостатков лишены дифференциальные преобразователи. Они состоят из двух одинаковых одинарных ИП, которые имеют общий подвижный элемент (см. рис.). При перемещении якоря одна индуктивность L₁ возрастает, а другая L₂ – уменьшается.

Дифференциальные ИП включаются в дифференциальные цепи, что уменьшает аддитивную погрешность, улучшает линейность функции преобразования, в 2 раза возрастает чувствительность и уменьшается сила притяжения якоря.