2.7 Пьезоэлектрические преобразователи (ускорения, силы, давления). Занятие 28.

Пьезоэлектрические преобразователи относятся к генераторным преобразователям. Основой их устройства служит прямой пьезоэффект, возникающий в некоторых материалах (сегнетодиэлектриках). К таким материалам относятся кварц, сегнетова соль, титанат бария и некоторые другие. Если вырезать параллелепипед из сегнетодиэлектрика с поверхностями, параллельными плоскостям кристаллической решётки, то физические свойства по осям этого параллелепипеда будут неодинаковы. В зависимости от этих свойств ось Z называют оптической осью, ось Х – электрической осью, ось У – механической. Если кристалл растягивать по механической оси У или сжимать по оси Х, на поверхностях, перпендикулярных оси Z возникнут электрические заряды. Металлические обкладки на этих поверхностях создадут ёмкость C, на которой будет собираться возникающий заряд Q. Если вдоль оси действует сила F, то заряд пропорционален F, т.е. Q = kF, где k – коэффициент пропорциональности. Напряжение на конденсаторе = . Из этого выражения следует возможная конструкция датчика усилия. Металлические обкладки приклеивают к граням кристалла электропроводящим клеем. К ним присоединяют электроды, с которых снимают напряжение. Однако в связи с электропроводностью диэлектрика заряды Q быстро исчезают. При этом влияют влажность и температура. Пьезоэлектрические преобразователи используют для измерения динамических (меняющихся) процессов, такой частоты, чтобы заряд Q не успел существенно измениться. Недостатком таких преобразователей является старение пьезодиэлектрика. Особенно это относится к титанату бария (на 10% в год).

П ьезоэлектрические преобразователи используют для измерения силы, давления, ускорения. Примером использования их в домашних условиях является пьезозажигалка или пьезоэлектрический звукосниматель. Возможен обратный пьезоэффект, заключающийся в том,

Рисунок 3.7 Датчик давления

что если подать переменное напряжение на поверхности, перпендикулярные оси Z, то вдоль осей Х и У возникнут колебания с частотой подаваемого напряжения. Обратный пьезоэффект используется для создания звуковых или ультразвуковых колебаний.

В датчике давления мембрана воспринимает давление р и через пластины сжимает кварцевые стержни, на которых возникает напряжение. Для равномерности сжатия пластин конструкция расположена на шарике или цилиндре.

Датчик ускорения крепится на объекте, испытывающем ускорение. Грузик (инерционная масса т) воздействует на пьезоэлемент с усилием, пропорциональным ускорению (F = ma).

Измерение ускорения производится в большом диапазоне (от 0.2 до 200g). Коэффициент преобразования k≈8мВ/g, минимальная частота – 5Гц.

Использование фотолитографии для создания проводников и крепежных площадок позволяет резко уменьшить габариты датчиков и улучшить их частотные характеристики.

Пьезодатчики предъявляют особые требования к измерительной цепи. Сопротивление пьезодатчика R₀ составляет десятки и сотни МОм, емкость C₀ – десятки пф. Требуется большое входное сопротивление измерительной цепи. Таким сопротивлением обладают электрометрические лампы (до 10¹³Ом) и специальные схемы на транзисторах.

2.8 Датчики Холла. Занятие 29.

Если поместить проводник с током I в магнитное поле с напряженностью H, то движение зарядов искривится в соответствии с полем H. На поверхностях, перпендикулярных току I, возникнет ЭДС E. Если нет Н, то нет и E. Появление Н вызывает перемещение зарядов в поперечном направлении, возникает ЭДС Холла.

Э ффект Холла известен более 100 лет, однако используется последние 30…40 лет в связи с тем, что в проводниках он незаметен за счет проводимости их: заряды, возникающие на противоположных поверхностях взаимоуничтожаются. За счет односторонней проводимости полупроводников имеется возможность накапливать эти заряды. Эффект Холла в полупроводниках легко обнаруживается. Имеются импульсные и аналоговые датчики Холла.

Импульсные датчики Холла это датчики, срабатывающие при появлении магнитного поля, величина которого в зоне расположения датчика больше определенного значения. Выходной сигнал датчика дискретный: 1/0. Изменение магнитного поля может быть вызвано, в частности, приближением или удалением магнита. Выпускаются импульсные микросхемы (датчик Холла), выходной сигнал которых зависит от напряженности Н внешнего магнитного поля.

В ыпускаются модификации импульсных датчиков Холла со встроенным магнитом. В корпусе такого датчика размещены кристалл полупроводника, постоянный магнит и часть магнитопровода, вторая часть которого выведена наружу. Магнитная цепь наружной части замыкается ферромагнитным якорем, что вызывает увеличение магнитного потока через кристалл Холла.

Импульсные датчики Холла находят следующее применение: 1) датчики скорости и пути, 2) кодовые датчики пути, 3) датчики числа оборотов и другие.

Аналоговые датчики основаны на измерении напряженности Н магнитного поля. Чем больше напряженность, тем сильнее эффект Холла и тем выше выходное напряжение. Напряженность магнитного поля Н вблизи исследуемого объекта может зависеть от тока, механического напряжения детали, состояния материала и других условий. Например, известно устройство определения нагрузки стального троса с помощью датчика Холла. При увеличении растягивающей силы трос утончается, магнитное поле, используемое для измерения, меняется в области расположения датчика. Датчик реагирует на изменяющуюся напряженность, зависящую от растягивающего усилия, производя измерение этого усилия.

2.9 Биметаллические, сильфонные и мембранные датчики

2.9.1 Биметаллические датчики температуры. Занятие 30.

В биметаллических датчиках используется различная способность металлов изменять свои линейные размеры при изменении температуры. Это качество определяется коэффициентом линейного расширения α. Линейный размер определяется соотношением

L= L₀ (1+ αΔT),

где L₀ -первоначальная длина изделия,

ΔT – изменение температуры относительно той, при которой длина была L₀,

α –температурный коэффициент линейного расширения, α = показывает относительное изменение размера при изменении температуры на 1⁰С.

Температурные коэффициенты некоторых металлов показаны ниже.

Аl 25*10^-6 , Cu 16,6*10^-6 , Fe 12*10^-6 , Ti 8,5*10^-6 .

Н есмотря на малые величины тепловое расширение оказывает огромное влияние на состояние предметов. В биметаллических датчиках, благодаря соединению двух металлов с различным коэффициентом расширения, перемещения получаются несопоставимо большими по сравнению с расширением каждого из металлов. Две полоски металлов с разными коэффициентами линейного расширения склепывают или сваривают. При увеличении температуры, как показано на рис. , полоски удлиняются по-разному. Линейный эффект удлинения почти незаметен. Но полоски изгибаются и изгиб может достигать миллиметров. Если биметаллическую пластину выполнить в виде спирали, на конце которой установить стрелку, поворот стрелки может показывать температуру среды, в которой установлена спираль. Так выполнены биметаллические термометры.

В термодатчиках пластина перемещает контакт, который в зависимости от температуры замыкается или размыкается. Для устранения "дребезга" используется пружинная система, в которой подвижный контакт имеет два устойчивых состояния: одно при низкой температуре, другое—при высокой. Пружина выполнена так, что изменение температуры "накапливается в нем в виде механического напряжения. При достижении определенной температуры пружина переходит в другое устойчивое состояние. Часто устройство оснащено регулятором температуры срабатывания, воздействующим на пружинную систему. В зависимости от пружинной системы датчики могут быть: с самовозвратом (контакт переходит в исходное состояние при возврате к исходной температуре); без самовозврата (возврат в исходное состояние производится вручную); одноразового действия. Преобразователи одноразового действия используются для фиксации предельного значения температуры: если контакт разомкнут, температура достигала определенного недопустимого значения. Такие контакты подлежат замене после устранения неисправности.

Биметаллические датчики широко используются в связи с простотой, дешевизной, высокой температурой работы (до 500⁰С). Недостатком их является невысокая точность.