Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические датчики динамических величин представляют собой преобразователи электрической энергии в механическую (и наоборот). Основу пьезоэлектрических ДДВ составляют один или несколько пьезоэлектрических ЧЭ - пьезоэлементов, электрически и механически связанных между собой в измерительную схему. Каждый пьезоэлемент выполнен в виде кварцевой или керамической пластины и является совмещенным ЧЭ генераторного типа, способным накапливать электрическую энергию. Поэтому при построении измерительных цепей широко применяют схемы последовательного и параллельного соединения пьезоэлементов. При последовательном соединении пьезоэлементов (рисунок 5.2, а) увеличивается напряжение в цепи, а суммарная емкость уменьшается пропорционально их числу; при параллельном соединении пьезоэлементов (рисунок 5.2, б) увеличиваются и накопленный заряд и емкость.

а, б – схемы последовательного и параллельного соединения ЧЭ;

в - простой пьезодатчик; г – пьезотрансформатор

Рисунок 5.2 – Пьезоэлектрические ДДВ

Такая схема подобна зарядовой батарее. Пьезоэлемент, как и конденсатор измеряет переменные внешние воздействия. В то же время, используя зарядовые усилители и другие специальные схемы, можно измерять и квазистатические нагрузки. Функция преобразования пьезоэлектрического ДДВ в общем случае имеет вид:

или в первом приближении:

где I - ток, протекающий через пьезоэлемент;

Q заряд пьезоэлемента;

k – константа;

Kп - коэффициент преобразования;

F - внешняя сила.

Пьезоэффект имеет обратимый характер. Поэтому различают механоэлектрические ДДВ (прямой пьезоэффект), электромеханические (обратный пьезоэффект), а также преобразователи, принцип действия которых основан как на прямом, так и на обратном пьезоэффекте. Первые (рисунок 5.2, в) применяют в приборах для измерения силы, давления, ускорения; вторые - используют в качестве излучателей ультразвуковых колебаний, в пьезоэлектрических реле, исполнительных элементах автоматических систем и др., третьи - в качестве пьезо - резонаторов и трансформаторов, а также узкополосных фильтров (рисунок 5.2, г).

Для датчиков силы, верхний предел измерений определяется площадью нагружаемой поверхности и для промышленных образцов составляет (2 …. 200) кН. Для датчиков силы, основанных на пьезоэффекте характерна высокая линейность (вследствие высокой жесткости конструкции) и малая зона нечувствительности.

Магнитоупругие датчики

Магнитоупругие ДДВ предназначены для измерения динамических факторов и основаны на обратимом преобразовании энергии магнитного поля и энергии механических колебаний. Магнитоупругие ДДВ используются в тех же задачах, что и пьезоэлектрические ДДВ, и также включаются в генераторные и параметрические измерительные схемы.

В основе работы магнитоупругого ДДВ лежит явление магнитоупругости (обнаружено в 1865 году итальянским ученым Эмилио Виллари), основанное на изменении намагниченности сердечника из ферро- и ферримагнетика при деформации. Обратный по отношению к магнитоупругости эффект - магнитострикция, заключающийся в изменении размеров и формы сердечника при намагничивании был открыт Дж. П. Джоулем в 1842 году.

Магнитоупругий эффект по своему проявлению во многом подобен пьезоэффекту. В то же время, использование магнитоупругого ДДВ позволяет получить существенно большую номинальную измерительную мощность (на несколько порядков). В отличии от пьезоэлектрических ДДВ, обладающих линейными электрическими свойствами, магнитоупругие материалы нелинейные. Поэтому, изменение электрических и магнитных свойств этих материалов при механическом воздействии наиболее просто описывается кривой гистерезиса (D и В - вектора поляризации и индукции, соответственно, рисунок 5.3). Действие механических напряжений  в ферромагнетике деформирует его кривую намагниченности (за счет изменения магнитной проницаемости  и взаимной или остаточной индукции ).

Рисунок 5.3 – Изменение кривой намагниченности магнитоупругого