Тензометрические преобразователи

Изменения формы какого-либо элемента, обусловленные воздействием внешних или внутренних сил, сопровождаются деформацией его поверхности, при этом можно измерить такие физические величины, как силу, давление, перемещение и т. д., и использовать метод тензометрии, основанный на измерении деформаций, при построении преобразователей различных величин. Среди тензометров самое широкое применение нашли тензорезисторы (тензодатчики). Закрепленный на поверхности тензорезистор воспринимает деформации объекта измерения и изменяет при этом свое электрическое сопротивление, которое. может быть далее измерено. Тензорезистор является пассивным преобразователем, поэтому на него необходимо подавать питание от электрического источника напряжения. Чувствительный элемент тензорезистора представляет собой решетку, выполненную из тонкого электрического проводника. В обычном исполнении решетка заделана в тонкопленочную полимерную основу, электрически изолирующую ее от объекта измерения и защищающую от повреждений.

Тензорезисторы имеют малые размеры, малую массу (около 10...500 мг) и малую жесткость. Поэтому характеристики даже небольших объектов измерения практически стабильны, что является особым преимуществом тензорезистора по сравнению с другими тензометрами. Различают металлические и полупроводниковые тензорезисторы.

Емкостные преобразователи

Известно, что емкость конденсатора, образованного параллельными пластинами, зависит от расстояния между пластинами, от площади взаимного перекрытия пластин и значения диэлектрической постоянной среды между пластинами, которые могут изменяться под действием измеряемой величины (рис. 2.1).

Рисунок 2.1. Изменение емкости (С) преобразователя:

а — от расстояния между пластинами; б — от эффективной площади перекрытия пластин; в — от диэлектрической постоянной

Емкостные преобразователи чувствительны к температурным колебаниям и могут выдать неправильный сигнал, когда соединительные провода длинны и обладают сами значительной емкостью.

Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэффект 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 ее 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.

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.