1.3 Пьезоэлектрический метод

1.3.1. Принцип измерения давлений

В пьезоэлектрическом методе измерение давлений сводится к измерению электрических зарядов. Пьезоэлектрические заряды очень малы по величине и способны утекать при недостаточной изоляции пьезоэлементов от окружающих проводников.

Поэтому при измерении пьезоэлектрических зарядов применяются специальные способы и приборы, обеспечивающие сохранение электрических зарядов в процессе измерений и высокую точность измерений. По этой же причине для изоляции пьезоэлемента и проводников, отводящих от него заряды, применяются изоляционные материалы с большим удельным сопротивлением и ничтожной гигроскопичностью; к ним относятся янтарь, полистирол, плавленый кварц и др.

В первых образцах пьезоиндикаторов, предназначенных для измерения давлений пороховых газов, электрические заряды измерялись непосредственно при помощи баллистического гальванометра, струнного электрометра или электронно-лучевой трубки. Однако эти способы не давали удовлетворительной точности вследствие значительных потерь электрических зарядов.

Успешное развитие пьезоэлектрического метода началось с применением для измерения электрических зарядов специальных электрометрических ламп. В России серия таких ламп разработана инженером В. М. Царевым. Основной особенностью этих ламп является исключительно высокая степень изоляции управляющей сетки по отношению к другим электродам лампы. Сопротивление изоляции сетки достигает 1014– 1015 ом, т. е. имеет величину такого же порядка, как и сопротивление кварца. С помощью электрометрических ламп практически удалось сделать очень малыми потери электрических зарядов при их измерении, а измерение электрических зарядов свести к измерению электрического напряжения или тока при помощи усилителя и осциллографа.

Этот принцип измерения электрических зарядов в настоящее время составляет основу электрической схемы пьезоэлектрических приборов для измерения давлений пороховых газов.

В упрощенном виде электрическая схема пьезо-индикаторов изображена на фиг.6. Основными элементами этой схемы являются: пьезоманометр, электронный усилитель и регистрирующее устройство. Принцип действия этой схемы в общих чертах состоит в следующем.

Измеряемое давление р, действуя на поршень манометра, сжимает кварцевый пьезоэлемент К с силой F, равной произведению давления на площадь сечения поршня. Под действием силы давления на активных гранях пьезоэлемента возникают пропорциональные давлению электрические заряды противоположного знака. Электрические заряды сосредоточиваются на металлических обкладках, плотно прилегающих к активным граням пьезоэлемента.

Фиг.6

Положительный заряд нейтрализуется заземлением соответствующей обкладки, а равный ему отрицательный заряд используется в качестве меры, определяющей величину измеряемого давления. С этой целью отрицательный заряд подается по хорошо изолированному и экранированному проводнику к электронному усилителю. Последний большей частью осуществляется в виде двухкаскадного усилителя постоянного тока с входной электрометрической лампой Л1 и второй – усилительной лампой Л2.

Отрицательный заряд q от пьезоманометра заряжает входную емкость усилителя С и создает на управляющей сетке потенциал,равный U = - q/С и изменяющийся пропорционально давлению на поршень. Величина потенциала сетки электрометрической лампы может регулироваться путем изменения емкости конденсатора Ск, включаемого для этого параллельно пьезоэлементу. Вместе с емкостью остальных элементов входной цепи электрометрической лампы конденсатор Ск образует входную емкость пьезоиндикатора.

При помощи конденсатора Ск можно изменить чувствительность пьезоиндикатора и масшаб кривой давления, регистрируемого пьезоиндикатором. Поэтому конденсатор Ск часто называют масштабным. Отрицательный потенциал, создаваемый на сетке электрометрической лампы, управляет анодным током этой лампы. С увеличением давления отрицательный потенциал сетки увеличивается и соответственно этому уменьшается анодный ток в лампе Л1. Под влиянием этого уменьшается падение напряжения на анодном сопротивлении R1, что в свою очередь уменьшает отрицательный потенциал управляющей сетки второй лампы усилителя.

Возрастание потенциала на сетке усилительной лампы приводит к увеличению тока в ее анодной цепи и, следовательно, к увеличеннию падения напряжения на выходном сопротивлении R2 усилителя. В результате на выходе усилителя получается напряжение, необходимое для приведения в действие регистрирующего устройства пьезоиндикатора.

Рассмотренный процесс работы усилителя отвечает периоду нарастания давления. В периоде спадания давления отрицательный заряд на пьезоэлементе уменьшается и соответственно этому выходное напряжение усилителя уменьшается. При этом как в периоде нарастания, так и в периоде убывания давления напряжение на выходе электронного усилителя получается во много раз больше разности потенциалов, создаваемой на его входе усилителя электрическим зарядом от пьезоманометра.

Усилитель рассчитывается так, чтобы между напряжениями на его входе и выходе существовала линейная зависимость. Это достигается соответствующим выбором параметров схемы усилителя (сопротивления Rк, R3, R4, R5) и режима работы ламп.³

Наряду с основными элементами, показанными в принципиальной схеме, пьезоиндикатор обычно включает ряд вспомогательных приспособлений для получения на осциллограмме отметок моментов начала воспламенения пороха, начала движения снаряда в канале ствола, момента вылета снаряда из канала ствола и моментов прохождения снаряда через блокировочные устройства. Такие приспособления делают пьезоиндикатор универсальным прибором, позволяющим производить комплексные измерения при изучении процессов явления выстрела.

Техническое использование пьезоэлектрических свойств кварца для целей измерения давления пороховых газов связано с выполнением ряда требований, вытекающих из физики явления пьезоэффекта. Общие и вместе с тем главнейшие требования состоят в том, что схема и конструкция пьезоиндикатора должны:

1) обеспечивать правильную передачу давления на кварцевый пьезоэлемент;

2) точно воспроизводить процесс преобразования давления в электрические заряды;

3) предохранять последние от различных видов утечки;

4) не вносить искажений при преобразовании пьезозаряда в другие электрические величины и при последующем осциллографировании этих величин.

Этим требованиям подчинены все элементы пьезоиндикатора и прежде всего пьезоманометр и электронный усилитель.