4.3.3. Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэффект (открыт в 1880 г. братьями Ж. и П. Кюри) связывает механическую деформацию в кристалле с возникающим в нем электрическим сигналом. Электрическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому кристаллу, вызывает его механические деформации (обратный пьезоэффект) и, наоборот, механическое воздействие на кристалл порождает в нем электрическое напряжение (прямой пьезоэффект). Пьезоэлектрические датчики, действие которых основано на прямом пьезоэффекте, преобразуют, например, давление в пропорциональный электрический сигнал.

Пьезоэлектричество наблюдается как в монокристаллических материалах, например кварце, так и в поликристаллических материалах, например керамике. Монокристаллический кварц имеет более высокую температурную стабильность, химическую стойкость и прочность, чем пьезоэлектрическая керамика (пьезокерамика). В отличие от естественных кристаллов, таких как кварц (или турмалин), пьезокерамика не обладает пьезоэлектрическими свойствами сразу после их изготовления из-за хаотической ориентации электрических диполей. Подвергая пьезокерамику воздействию электрического поля напряженностью 10...30 кВ/см при температуре ниже температуры Кюри, можно ориентировать материал так, что он будет действовать, как монокристалл. Преимущество пьезокерамики: из нее можно изготовить образцы сложной конфигурации, она химически стойка и может изготовляться по стандартным технологиям для керамических материалов.

Примечание

Точка Кюри (температура Кюри) — температура фазового перехода, характеризующегося непрерывным изменением состояния вещества с приближением к точке фазового перехода и приобретением качественно нового свойства в этой точке. Названа по имени П. Кюри, детально изучившего этот переход у ферромагнетиков. Пьезокерамика по физическим свойствам представляет собой поликристаллический сегнетоэлектрик. По химическому составу — это сложный оксид, включающий ионы двухвалентного свинца или бария, а также ионы четырехвалентного титана или циркония. Наиболее распространена группа пьезокерамических материалов типа титаната-цирконата свинца ЦТС (PZT), на основе титаната бария ТВ-1, титаната бария кальция Т6К-3, титаната свинца и т. д.

Одним из основных типов пьезокерамических датчиков является осевой (механическая сила действует вдоль оси поляризации). В осевых датчиках пьезоэлемент может представлять собой диск, кольцо, цилиндр или пластину.

4.3.4. Индуктивные преобразователи

Действие индуктивных преобразователей основано на изменении собственной или взаимной индуктивности катушек. Индуктивный преобразователь, широко используемый, в особенности, для измерения смещений (и тем самым давления или других технологических параметров), — линейный дифференциальный трансформатор (ЛДТ) — рис. 22.

а 6 в

Рис. 22. Индуктивный преобразователь:

а — электрическая схема; 6— конструкция передающего дифференциально-трансформаторного преобразователя (1 — односекционная первичная обмотка; 2 — секции вторичной (выходной) обмотки; 3 — подвижный сердечник; 4 — катушка преобразователя); в — статическая характеристика (зависимость напряжения от положения сердечника ); — рабочий диапазон перемещения сердечника

В основе работы ЛДТ лежит принцип изменения взаимной индукции между магнитосвязанными катушками, причем именно это изменение, а не изменение собственной индуктивности подлежит измерению.

Конструкция (рис. 22, а, б). На катушке 4 из немагнитного материала (например, пластмассы) равномерно размещена первичная обмотка 1. Вторичная обмотка, намотанная поверх первичной, выполнена в виде двух секций 2 с одинаковым числом витков, причем эти секции электрически включены навстречу друг другу, т. е. выходное напряжение есть разность ЭДС, индуцируемых в этих секциях. Внутри катушки находится сердечник 3 из мягкого железа. Шток сердечника связан с подвижным элементом измерительного преобразователя или осью указателя прибора. Дифференциально-трансформаторный преобразователь размещается в цилиндрическом металлическом кожухе для защиты от внешних магнитных полей (на рис. не показан).

На рис. 22, в изображена зависимость выходного напряжения от положения сердечника. При малых смещениях напряжение на выходе ЛДТ изменяется линейно с перемещением сердечника и претерпевает изменение фазы на 180°, когда сердечник проходит через центральное положение, указывая на направление смещения сердечника.

Примечание

Начало координат — центральное положение сердечника.

Индуктивный преобразователь имеет преимущество, например, перед потенциометрическим преобразователем, поскольку в нем отсутствует трение и износ движущихся частей. Индуктивный преобразователь применяется для статических и динамических измерений.

Преимущество дифференциального выхода в системах типа ЛДТ состоит в том, что такие системы характеризуются большим выходным сигналом при равных смещениях, а также и уменьшенными вариациями выходного сигнала при изменениях температуры, магнитного поля, напряжения и частоты питания.

ЛДТ конструируются для работы при перемещениях сердечника от ±0,01 см до ±30 см.