15. Ультразвуковые датчики: назначение, принцип действия.

Работа ультразвуковых датчиков основана на взаимо­действии ультразвуковых колебаний с измеряемой средой. К ульт­развуковым относят механические колебания, происходящие с ча­стотой более 20 000 Гц, т. е. выше верхнего предела звуковых ко­лебаний, воспринимаемых человеческим ухом. Распространение ультразвуковых колебаний в твердых, жидких и газообразных сре­дах зависит от свойств среды

Преобразователь посылает пакет звуковых импульсов и преобразовывает импульс эха в напряжение. Интегрируемый контроллер вычисляет расстояние по времени эха и скорости звука. Длительность излучаемого импульса Δt и время затухания t_зат. звукового преобразователя являются причиной для формирования слепой зоны, в которой ультразвуковой датчик не может обнаружить предмет.

Активный диапазон ультразвукового датчика обозначается как рабочий диапазон обнаружения. Диапазон обнаружения - расстояние, в пределах которого ультразвуковой датчик обнаруживает объект, независимо от того, приближаются ли эти объекты к чувствительному элементу в осевом направлении или двигаются через звуковой конус в поперечном направлении.

Принцип действия: Ультразвуковой датчик вычисляет время, которое требуется звуку для движения от датчика до объекта и назад на датчик (диффузионный режим работы) или проверяет, был ли получен посланный сигнал отдельным приемником. Передатчик и приемник являются отдельными устройствами и монтируются друг напротив друга. Выход выключателя активизируется, если ультразвуковой пучок прерывается объектов.

12. Пьезоэлектрические датчики: назначение, принцип действия.

Работа пьезоэлектрического датчика основана на физи­ческом явлении, которое называется пьезоэлектрическим эффек­том. Этот эффект проявляется в некоторых кристаллах в виде по­явления на их гранях электрических зарядов разных знаков при сжатии кристалла в определенном направлении. Слово «пьезо» по-гречески означает «давлю». В зависимости от значения силы

сжатия или растяжения; меняется ко­личество зарядов, а следовательно, и разность потенциалов, замеренная меж­ду гранями. Пьезоэлектрические датчи­ки относятся к генераторному типу. Выходное напряжение с пьезокрис-талла усиливается, и через динамик мы слышим записанные звуки. Появление зарядов на гранях в зависимости от сжа­тия называется прямым пьезоэффектом. Существует и обратный пьезоэффект: при подаче напряжения на грани крис­талла изменяются его размеры (он сжимается или разжимается). Обратный пье-зоэлемент нашел применение в ультразвуковых генераторах. А основанные на прямом пьезоэффекте пьезоэлектрические датчики используют­ся в автоматике для измерения давлений, вибраций, ускорений, других параметров быстропротекающих процессов.

Рассмотрим появление зарядов на гранях кристалла кварца, у которого пьезоэлектрический эффект достаточно сильно выражен. На рис. 7.1 изображен кристалл кварца, который имеет вид шести­гранной призмы. В кристалле можно выделить три оси симметрии: Z — продольная ось, называемая оптической осью; X— поперечная ось, проходящая через ребра призмы перпендикулярно продоль­ной оси; У—поперечная ось, проходящая через грани призмы пер­пендикулярно им и осям Z, X. Ось X называется электрической осью, ось У—механической илинейтральной.

Использование двух (а иногда и больше) пластин повышает выходную ЭДС, поскольку выходные сигналы пластин складываются.

На рис. 7.3 показан пьезоэлектрический датчик ускорения, используемый в виброизмерительной аппаратуре. Пьезоэлемент 1 из титаната бария расположен в корпусе прибора 2 между инерционной массой 3 и подпятником 4. Для увеличения силы, действующей на пьезоэлемент при ускорениях, инерционная масса имеет относи­тельно большие размеры и изготовлена из вольфрама. Пакет из инерционной массы 3, пьезоэлемента / и подпятника 4 прижат к основанию корпуса гайкой 5 через сферическую пяту 6, изоляцион­ную прокладку, пружинную шайбу и контактную пластину. Вы­вод сигнала выполнен с помощью специального антивибрационного кабеля. Датчик измеряет ускорения от 0,2 до 200 g. Коэффициент преобразования порядка 8 мВ на 1 g. Минимальная частота вибро­ускорений 5 Гц.

Пьезоэлектрические датчики применяются для измерения давлений, вибраций, уровней, расходов по уровню и др