4.3.3. Пьезоэлектрический преобразователь

Принцип действия основан на прямом пьезоэлектрическом эффекте -появлении электрических зарядов на гранях некоторых диэлектриков при их деформации (кварц, сегнетова соль, титанат бария и т.д.) (рис. 4.24).

Из пьезочувствительного материала обычно вырезают пластинку в форме параллелепипеда. При действии на пластинку силы F, направ­ленной вдоль продольной оси, на гранях, перпендикулярных этой оси, возникают равные по величине, но противоположные по знаку заряды q. При изменении направления действия силы F изменяется знак заряда.

Рис. 4.24. Пьезоэлектрический преобразователь

Величина заряда, возникающего как результат пьезоэлектрического эффекта:

q=KF> (4.18)

где кп - пьезомодуль материала (пьезоэлектрический коэффициент).

Эта формула справедлива только в пределах упругой деформации материала. Снимаемый с пьезоэлемента сигнал в виде ЭДС Е,, имеет очень маленькую мощность, поэтому он должен быть усилен.

4.3.4. Вентильные фотоэлементы (фотодиоды)

В основе принципа их действия - вентильный фотоэффект. Вентиль­ный фотоэффект - это перемещение электронов из освещенного вещества в другое вещество, отделенное от первого запирающим слоем. В этом случае, под действием светового потока Фс возникает ЭДС между полу­проводником и чистым металлом, разделенными промежуточным запи­рающим слоем, обладающим односторонней проводимостью (4.25).

Рис. 4.25. Конструкция фотодиода:

1 - контактные электроды металлические; 2 - слой полупро­водникового материала (селен, сернистый таллий, сернистое серебро и т.д.); 3 - полупрозрачный слой золота; 4 - пластина металлическая, выполненная заодно с контактным электродом

Световые характеристики и схема включения фотодиода имеют вид (рис. 4.26).

Рис. 4.26. Световые характеристики (а) и схема включения

(б) фотодиода в генераторном режиме:

/ф - фототок (А); Фс - световой поток (лм); R„ - сопротивление нагрузки

4.4. Неэлектрические преобразователи

Этот вид преобразователей позволяет преобразовать неэлектрическую входную величину в неэлектрическую выходную величину.

4.4.1. Преобразователи усилия и давления

Основой конструкции этих преобразователей являются упругие элементы выполненные из стали, различных сплавов бронзы, резины, пластиков и т.д. Наиболее часто эти элементы имеют форму стержня, балки, кольца, пружины (рис. 4.27).

Рис. 4.27. Преобразователи усилий:

а - стержень; б - балка одноконсольная;

в - балка двухконсольная; г - кольцо; д - пружина

Для приведенных выше элементов функция управления линейна в пределах упругости материала:

y=F/K, (4.19)

где К - жесткость упругого элемента (Н/мм); у - упругая деформа­ция элемента (мм).

Для преобразования давления используются: мембраны (рис. 4.28), сильфоны (рис. 4.29) и трубчатые пружины (рис. 4.30).

Рис. 4.28. Мембраны:

а - гладкая (негофрированная); б - гофрированная; в - гладкая

мембрана в оболочке; Р - измеряемое давление; у - величина

деформации мембраны

Сильфон представляет собой гофрированную тонкостенную трубку и обладает большей чувствительностью, чем мембрана.

Рис. 4.29. Сильфон 52

Рис. 4.30. Трубчатые пружины: а - одновитковая, б ~ многовитковая

Статическая характеристика управления имеет вид Y=f(P).