68. Емкостные преобразователи давления. Конструкция и принцип действия.

При создании сложных комплексов в настоящее время широко используются датчики давления. Конструкция датчика давления состоит из первичного преобразователя, в состав которого входят чувствительный элемент и приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, корпусные детали, устройство вывода и определяется диапазоном измеряемых давлений, а также способом преобразования перемещения или деформации чувствительного элемента в электрический сигнал. Основным отличием одних приборов от других является точность регистрации давления, которая зависит от принципа преобразования измеряемого давления в электрический сигнал.

Известные емкостные датчики давления используют метод, где упругая металлическая мембрана керамического или кремниевого емкостного первичного преобразователя давления деформируется и вызывает изменение расстояния между обкладками, либо изменение площади перекрытия обкладок, а следовательно происходит изменение емкости конденсатора. Достоинствами чувствительного емкостного элемента являются простота конструкции, высокая точность и временная стабильность, возможность измерять низкие давления и слабый вакуум. К недостаткам можно отнести нелинейную зависимость емкости от приложенного давления.

Принцип действия емкостных датчиков давления основывается на использовании функциональной зависимости электрической емкости конденсатора С от площади S его электродов, зазора d₀ или диэлектрической проницаемости ɛ₀ среды между электродами:

В практике измерения давления наибольшее значение и распространение получили емкостные преобразователи давления, использующие функциональную зависимость емкости от зазора между электродами C (d₀) при обеспечении одновременно минимально

возможной зависимости С (ɛ) и С(S).

Влияние на функцию преобразования емкостного чувствительного элемента изменения диэлектрической проницаемости сухого воздуха в диапазоне температур от 0 до

100 °С.

Для защиты емкостного чувствительного элемента датчика от воздействия агрессивной среды давление внутрь передается при помощи разделительных мембран, а опорные поверхности корпуса емкостных чувствительных элементов выполнены по профилю этих мембран. Внутренняя полость между мембранами заполняется жидким диэлектриком. Это решение используется с целью исключения выхода из строя преобразователя при избыточных импульсных давлениях, возникающих в измеряемых средах, поскольку разделительные мембраны, защищающие рабочую мембрану от агрессивных сред, изготавливаются очень тонкими с тем, чтобы их жесткость была много меньше жесткости рабочей мембраны.

69. Пьезоэлектрические преобразователи давления. Конструкция и принцип действия.

Данный тип преобразователей относится к подгруппе генераторных, работа которых основана на пьезоэлектрическом эффекте - способности некоторых материалов накапливать электрические заряды в результате механической нагрузки.

В качестве материала используются естественные кристаллы – кварц, турмалин и искусственные – продукты отжига прессованной смеси, состоящей из мелко раздробленного сегнетоэлектрика с присадкой. Лучшие свойства у цититаното-цирконато-свинца (ЦТС) и титоната бария (ТiВа) имеющих высокий пьезомодуль и обеспечивающих работу преобразователей до температуры 250 ⁰С. При проектировании преобразователя в основном используют три схемы нагружения пьезоэлемента: растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг.

Преобразователи, в которых используется прямой пьезоэффект, применяют в приборах для измерения силы, давления, ускорения. У них обеспечивается большая жесткость и, как следствие, высокая собственная частота.

Преобразователи, где используется обратный пьезоэффект, применяются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний, преобразователей напряжения в деформацию, например, в пьезоэлектрических реле, исполнительных элементах автоматических систем, перемещающих зеркала оптических приборов), обратных преобразователей приборов уравновешивания и т. д.

Преобразователи, в которых используются одновременно прямой и обратный пьезоэффекты, – пьезорезонаторы, имеющие максимальный коэффициент преобразования одного вида энергии в другой на резонансной частоте и резко уменьшающийся коэффициент преобразования при отступлении от резонансной частоты, применяют в качестве фильтров, пропускающих очень узкую полосу частот.

Пьезорезонаторы, включенные в цепь положительной обратной связи усилителя, работают в режиме автоколебаний и используются в генераторах. В зависимости от типа кристалла, среза и типа возбуждаемых колебаний пьезорезонаторы могут выполняться с высокостабильной, не зависящей от внешних факторов собственной частотой и с управляемой собственной частотой. Управляемые резонаторы используются в частотно-цифровых приборах как преобразователи различных, преимущественно неэлектрических (температура, давление, ускорение и т. д.), величин в частоту.

В пьезоэлектрических преобразователях используются кварц и различные типы пьезокерамик. Пьезокерамики имеют значительно более высокие по значениям, чем кварц, пьезомодули, но худшие упругие свойства. Модуль упругости пьезокерамических материалов Е = (0,65…1,3)10^-11 Па. Добротность, определяемая только механическими потерями, лежит в диапазоне Q = 100…300. Тангенс угла потерь (при напряженности Е < 25 кВ/м) для большинства пьезокерамических материалов составляет tg (б) = 0,02…0,05. Все материалы обладают пьезоэлектрическими свойствами лишь в определенном температурном диапазоне, граница которого определяется точкой Кюри. Для кварца точка Кюри соответствует температуре 530 °С, для пьезокерамик эти температуры ниже.

Устройство. На рисунке, схематически изображено устройство пьезоэлектрического преобразователя для измерения давления. Измеряемое давление Р действует на мембрану 1, представляющую собой дно корпуса преобразователя. Наружные обкладки кварцевых пластин заземляются, а средняя обкладка (латунная фольга 3) изолируется относительно корпуса самим кварцем, имеющим очень высокое удельное сопротивление. Кварцевые пластины Х-среза 2 соединены параллельно. Сигнал с кварцевых пластин снимается экранированным кабелем 5. Для удобства соединения вывода от фольги с внутренней жилой кабеля в корпусе преобразователя предусмотрено отверстие, закрываемое пробкой 4.