Методы управления пьезорезонансными датчиками.

ПРД называются измерительные преобразователи, в которых роль чувствительного элемента выполняет пьезоэлектрический резонатор либо пьезопреобразователь, обладающий резонансными электрическими свойствами. В отличие от традиционных пьезодатчиков генераторного типа, работающих на основе прямого пьезоэффекта, пьезорезонатор является датчиком параметрического типа, в котором преобразование входного воздействия осуществляется в результате модуляций параметров пьезорезонатора. Как правило, пьезорезонатор возбуждается вблизи из одной его резонансных частот. Большинство датчиков строятся по принципу модуляции частоты резонанса (реже антирезонанса) в функции измеряемого воздействия.

Датчики делятся на:

1. частотные, в которых выходным параметром является частота

2. амплитудные, в которых входное воздействие вызывает модуляцию комплексного сопротивления или проводимости на фиксированной частоте, близкой к резонансной.

3. фазовые, выходным сигналом в которых является фаза переменного тока или напряжения, работает на фиксированной частоте, используется значительно реже.

Управление частотами может осуществляться:

• воздействием на эквивалентную податливость (массу) – в этом случае изменяются обе резонансные частоты.

• изменения активных потерь R_k. Увеличение активного затухания снижает частоту собственных колебаний.

• управление значением межэлектродной ёмкости C_o или же ёмкостного соотношения:

Управление комплексным сопротивлением z или проводимостью.

1. изменение активных потерь R_k при работе на фиксированной частоте в околорезонансном промежутке частот.

2. воздействие на реактивные параметры, то есть податливость и массу L_n при фиксированной частоте возбуждающего напряжения.

3.комбинированное воздействие на активные и реактивные параметры колебательной системы.

Управление фазой. В основе лежат эффекты, поражающие как изменение частоты, так и изменение проводимости.

Схемы включения пьезорезонаторов в измерительных преобразователях.

Возбуждение управляемого пьезорезонатора в измерительных преобразователях может осуществляться в следующих режимах:

а. автоколебаний

б. вынужденных колебаний

в. свободных колебаний

г. дифференциального включения.

а)В этом режиме пьезорезонатор используется в качестве частотозадающего элемента замкнутой системы , содержащей усилитель УС. Режим автоколебаний поддерживается в схеме на частоте близкой к частоте работы резонанса пьезорезонатора Пр.

Измеряемое воздействие модулирует собственную частоту и потери Пр , что приводит к частичной или амплитудной модуляции несущей частоты на выходе генератора.

б )Возбуждение пьезорезонатора Пр. осуществляется от независимого генератора Г. При работе Г на фиксированной частоте fo через исследуемый Пр. протекает ток , амплитуда и фаза которого определяется проводимостью исследуемого Пр. и амплитудой генератора . Измеряемое воздействие изменяя частоту Пр. или моделируя потери резонатора , вызывает амплитудную или фазовую модуляцию на выходе схемы . Или же во втором варианте генератор выполняется управляемым и управление частотой осуществляется блоком управления , который автоматически устраняет расстройку , вносимую изменяемым воздействием . Блок настройки может работать по принципу следящей системы , либо развертывающего преобразователя , а развёртка может вестись по амплитуде или фазе , только через исследуемый Пр. В момент ,когда подстройка выполнена , включается измерительное устройство .

в)Измерение параметров исследуемого Пр. производится спустя некоторое время после того ,как Пр. отключится от усилителя .Измеряемая схема фиксирует либо частоту затухающего (свободного) колебания , либо скорость затухания в зависимости от того , как используется управление Пр. по частоте или добротности. Такой режим свободных колебаний используется редко , чаще встречается режим (а).

г)Использование дифференциальных схем позволяет снизить погрешность ИП , а также увеличить линейный участок измерения , т.к. автогенераторы работают на частоте единицы-десятки МГц , а изменение частоты следует от Гц до кГц.

Способы повышения температурной стабильности частоты автогенератора :

Для многих разновидностей частоты ПРД(исключение - датчики температуры ) воздействие температуры является одним из дестабилизирующих факторов .Уменьшение влияния температуры может быть снижено :

1.Выбором термостабильного Пр.

2.Испльзование цепей термокомпенсации в АГ.

3.Термостатирование схемы .

Наиболее распространенным является способ компенсации , основанный на подстройке частоты АГ при помощи ёмкости (обычно варикапа ) , значение которого регулируется в зависимости от температуры управляющих воздействий.

Основные типы пьезорезонаторов , используемых в измерительной технике :

1.Термочувствительные.

Бывают двух видов:

а) Измерительные преобразователи температура – частота.

б) Измерительные преобразователи теплового типа , использующие комбинацию из термочувствительного резонатора и дополнительного резонатора.

Обозначение	Номинальная частота,кГц	Коэффициент преобразования,Гц/˚С	Диапозон измерения температуры, ˚С
РТ-01	14310	500	-60 до +125
РТ-02	26500	1000	-60 до +125
РЦ2	5000	170	-60 до +125
РК317ТВ	7040	680	-60 до +125

2.Тензочувствительные :

а) Дискретные.

Б)Интегральные.

Обозначение	Номинальная частота ,МГц	Коэффициент силовой тензочувствительности , Гц/грамм	Максимальная нагрузка,Н
РС-01	10		70
ЭПК-А	10		50

Автогенераторные схемы пьезорезонаторных датчиков.

А втогенераторная схема на основе пьезорезонатора может рассматриваться как замкнутая система , содержащая усилитель и пьезорезонатор , включенный в ПОС-усилителя.

Д ля возникновения незатухающих колебаний необходимы два условия :

1.Условие баланса фаз:

Заключается в том , что колебания возникают , если коэффициент передачи разомкнутой системы является величиной действительной , т.е. суммарный фазовый сдвиг усилителя и пьезорезонатора равен 0,2π,4π …...

2.Выполнение на частоте колебаний, равной

В этом случае амплитуда колебаний стремительно возрастает до тех пор пока усилитель не попадет в линейную область , где наступает ограничение амплитуды. Если же условие не выполняется , то колебания затухают.

Большинство автогенераторов работают на частотах , лежащих между параллельным и последовательным пьзорезонансом .Поэтому различают :

1. Генераторы в которых условие БФ обеспечивается за счет индуктивной реакции пьезоэлемента , а колебательная система на рабочей частоте подобна параллельному колебательному контуру .Генераторы такого типа принято называть генераторами с положительным сопротивлением пьезорезонатора или же генераторами с параллельным резонансом.

2. Генераторы в которых Пр. работает вблизи минимума своего полного сопротивления при малом сдвиге фазы между U и I колебательной системы на рабочей частоте подобно последовательному колебательному контуру . Такие генераторы принято называть генераторами с последовательным резонансом.

Автогенераторные трехточечные схемы.

рис.1. Автотрансформаторная

рис.2.Емкостная трехточка

По переменному току ВЧ контур присоединяется к трем электродам Э,Б,К, при этэтом внутреннее сопротивление источника ЭДС закорачивается на землю , а эмиттерная и базовая ёмкости закорачиваются вследствии

их малой ёмкости на ВЧ.

Для рис.1 напряжение ОС снимается с части витков резонансной катушки и поступает в базу транзистора. Поскольку знаки мгновенных напряжений на отведенной катушке противоположны т.е. сдвинуты на 180 ˚., то ОС будет положительной т.к. в контуре выполняются условия БФ т.е. фаза контура(=180˚ ) +фаза транзистора (=180˚) =360˚

Аналогично для схемы рис 2., только ОС снимается с емкостного делителя .

Зачастую в емкостных трехточечных автогенераторах вместо индуктивности используется пьзорезонансный элемент , работающий между параллельным и последовательным резонансами и имеющий индуктивный характер нагрузки . Включение пьезорезонансного элемента тпозволяет стабилизировать работу схемы.

Рис.3.схема Пирса

рис.4. схема Колпитса

рис.5. Генератор на И-НЕ.

Ультразвуковой метод измерения расхода .

Для измерения расхода ультразвуковым методом используется частота от 50кГц до нескольких МГц ,при этом ультразвуковой сигнал генерируется пьезоэлектрическим вибратором выполненным в виде помещенного в корпус мембраны с наклеенными на неё пьезокристаллами . При приложении к нему электрического напряжении металл начинает вибрировать , генерируя ультразвуковые волны . Скорость распространения ультразвуковых волн в движущихся жидкостях изменяется в зависимости от скорости перемещения самой жидкости.

При таком одноканальном способе изменения должна выдерживаться постоянная температура т.к. измерение времени распространения ультразвука , вызываемое колебанием температуры может превышать колебания разности измеренного времени , поэтому принимаются схемы с двумя каналами.

При наличии двух излучателей – приёмников используются :

а) Частотно – импульсный метод , т.е. первый излучатель посылает сигнал , до их появления на приёмнике , после чего излучатель выключается.

б) Дифференциально – фазовый метод :

Частоту подбирают, для того , чтобы разность фаз при моментальной скорости , измеряемой жидкости не превышала бы длины волны.

в) Ультразвуковой метод :

Основан на эффекте Доплера .При излучении ультразвука колебаний постоянной частоты f1 в жидкость , следует , что при этом часть ультразвуковой энергии рассеивается , при этом меняется частота отраженного частицами жидкости ультразвука.

-излучаемая частота колебания

-частота Допплера

-скорость звука

-скоростьпотока контролируемой жидкости

-угол между излучателем и потоком жидкости

Основные типы емкостных датчиков.

а) С изменением зазора

б) Дифференциальный с изменением зазора:

в)С изменением площади перекрытия пластин :

г) Дифференциальный с изменением площади перекрытия пластин :

д) С изменением диэлектрической проницаемости :

е)Уровнемер:

Способы измерения ёмкости.

Практически все измерительные схемы можно разделить на:

1.Резонансные.

2.Генераторные.

3.Зарядно-разрядные.

4.Мостовые.

5.Способ дифференцирования тока.

1.

2.Основан на зависимости частоты колебаний LC или RC генератора от значения неизвестной ёмкости Сх.

3.

4.Мостовые переменного тока :

Такой метод запитки позволяет сделать измеритель емкостным :

1)Не чувствителен к паразитным емкостям.

2)Напряжение баланса нелинейна от изменения емкости Сx

3)Амплитуда и фаза сигнала разбаланса зависит от потери измеряемого конденсатора, поэтому лучше всего использовать прибор измеряющий силу выходного тока моста.

5.

Индукционные преобразователи .

ИП- основан на явлении электромагнитной индукции по которому ЭДС в контуре :

-поток магнитной катушки

В общем случае индукционный преобразователь представляет собой катушку с сердечником , которая характеризуется некоторым Y и ЭДС в которой

Может индуцироваться как в результате изменения во времени внешнего магнитного поля так и в результате изменения во времени обобщенного параметра Y . Если преобразователь находится в однородном магнитном поле с индукцией , то в его обмотке наводится ЭДС:

-угол между магнитной осью , совпадающий с нормалью плоскости обмотки и вектором магнитной индукции В.

-площадь поперечного сечения катушки

-магнитная прницаемость в среде в единицах 0

-коэффициент размагничивания сердечника , определяемый формой и соотношением размеров сердечника.

Обычно в преобразователях изменяется один из параметров при постоянно заданных других.

И из главного уравнения можно получить пять частных уравнений.

Индукционный преобразователь

для измерения параметров магнитных полей .

Для преобразования и измерения магнитной индукции переменного магнитного поля используется преобразователь с неподвижными магнитными катушками .

-максимальная магнитная индукция переменного магнитного поля

Индукционный преобразователь

для измерения частоты вращения.

Для измерения частоты вращения используют α и N преобразователи .

Конструктивно они отличаются от преобразователей магнитной индукции тем, что дополняются устройством (обычно постоянным магнитом ) , создающим магнитное поле с заданной индукцией , а вращение подвижных элементов осуществляется объектом частоты вращения , который измеряется следующим способом :

-пребразователь

-пребразователь

Индукционные преобразователи параметров вибрации .

-коэффициент затухания

-частота собственного колебания

-частота затухающих колебаний

-коэффициент эл.мех. связи

Индуктивные преобразователи .

Электромагнитный преобразователь у которого изменяется индуктивность от его перемещения называется индуктивным . Конструкции индуктивности преобразователей разнообразны , но сводятся все они к четырём основным разновидностям :

а) Преобразователи с переменной длинной воздушного зазора .

б) Преобразователь плунжерного типа .

в) Зубчатые преобразователи.

г) Преобразователи с распределенными параметрами.

Существенно увеличить линейный участок характеристик и уменьшить погрешность позволяет применение дифференциальных индуктивных преобразователей.

Дифференциальные индуктивные преобразователи бывают двух видов:

1.С переменной длинной воздушных зазоров.

2.Плунжерный.

Трансформаторные (взаимоиндуктивные ) преобразователи.

Преобразователь преобразующий перемещение в изменение взаимной индуктивности называют трансформаторным или взаимоиндуктивным.

Трансформаторные преобразователи бывают в основном с переменной длинной воздушного зазора или плунжерного типа , кроме того для увеличения линейного участка используются преобразователи дифференциального типа.

1.Трансформатор с переменной длинной воздушного зазора .

2.Плунжерный.

Выходным параметром трансформаторного датчика является эквивалентная взаимоиндуктивность

-эквивалентное значение взаимной индуктивности прямо пропорциональное тпеременного плунжера и является информационным параметром.

-остаточная взаимная индуктивность , величина которой не зависит от перемещения плунжера и является не информационным параметром .

-угол потерь в катушке датчика

-перемещение

-положение плунжера

Измеритель выходного сигнала ДТД.

Электромагнитный расходомер.

Электромагнитные расходомеры применяются для измерения в трубопроводах объёмного расхода электропроводных жидкостей , а также растворов с мелкодисперсионными не ферромагнитными частицами , удельная проводимость которых составляет от 0.001 до 10 См/м.

Некоторые расходомеры применяются и для измерения металлического теплоносителя например Na в первых контурах АЭС.

Принцип действия индуктивных расходомеров основан на явлении электромагнитной индукции ,согласно которому в проводнике движущемся в однородном магнитном поле наводится ЭДС , пропорциональная индукции этого поля , длине проводника и скорости движения этого проводника.

Пусть в трубопроводе движется вода со скоростью v , а на трубопровод действует магнитное поле с индукцией В.

Кроме полезного сигнала в измерительной схеме будет наводится электрический сигнал индуктивной неподвижной катушки.

Выходной сигнал состоит из двух составляющих:

1. Полезной составляющей , величина которой зависит от скорости измеряемого потока и помехи независящей от скорости измеряемого потока и сдвинутой на 90˚ относительно полезного сигнала. Заметим , что наличие потерь в индукторе ведет к недосдвигу напряжения до 90˚.

В расходомерах с постоянным магнитным полем возникает явление поляризации , которое связано с возникновением двойного слоя зарядов на границе электрод – жидкость . По мере накоплений этих зарядов возникает ЭДС направленная встречно. Применение неполяризующихся электродов таких , как графит , платина уменьшает эту поляризацию, но не устраняет.

Значительно уменьшить или почти полностью устранить поляризацию позволяет использование переменного магнитного поля . Однако расходомеры с переменным магнитным полем чувствительны к помехам от переменно-магнитных полей , которыми являются:

1) Помехи от внешних эл. магнитных полей .

2) Емкостные помехи от сети переменного тока , питающие датчик.

3) Индукционные или трансформаторная или квадратурная помеха от датчика.

Для защиты от внешних полей применяют экранирование входных усилителей и цепей . Для защиты от емкостных помех , уменьшают индуктивность катушек Ии индуктора . Кроме того применяют разделительные трансформаторы для питания индуктора и измерительной схемы . Для борьбы с трансформаторными помехами используют специальные компенсационные петли в которых наводится трансформаторные ЭДС и включаются последовательно с входными сигналами ,при этом происходит компенсация квадратурных составляющих. Кроме того используются фазочувствительное выпрямление в результате которого проекция квадратурной помехи на ось ФЧВ равна 0.

Полупроводниковые гальвономагнитные приборы.

Принцип действия основан на двух эффектах :

1. Эффект Холла (возникновение поперечной разности потенциалов в полупроводнике по которому проходит эл. ток, в том случае , когда есть магнитное поле перпендикулярное направлению тока).

2. Магниторезистивный эффект или эффект Гаусса , или же эффект изменение электрического сопротивления под действием магнитного поля . Оба эффекта основаны на том , что на движущийся со скоростью v носитель зарядов в магнитном поле действует сила Лоренца.