Пьезоэлектрические датчики
Пьезоэлектрический датчик, измерительный преобразовательмеханического усилия в электрический сигнал; его действие основано на использовании пьезоэлектрического эффекта (Пьезоэлектричество).Пьезоэлектрические датчики широко используются в промышленности и во многих других отраслях. Существует большое количество пьезоэлектрических датчиков, такие какпьезоэлектрические датчики серии Т, волоконно-оптический пьезоэлектрический (кварцевый) датчик импульсного давления, пьезоэлектрические датчики вибрации, на основепьезоэлектричества работают и многие другие приборы, например пьезоэлектрический громкоговоритель.
[1]
Пьезоэлектрический датчик, измерительный преобразователь механического усилия в электрический сигнал; его действие основано на использовании пьезоэлектрического эффекта (см. Пьезоэлектричество). Один из вариантов конструкции П. д. давления показан на рис. Под действием измеряемого давления на внешней и внутренней сторонах пары пластин пьезоэлектрика возникают электрические заряды, причём суммарная эдс (между выводом и корпусом) изменяется пропорционально давлению. П. д. целесообразно применять при измерении быстроменяющегося давления; если давление меняется медленно, то возрастает погрешность преобразования из-за «стекания» электрического заряда с пластин на корпус. Включением дополнительного конденсатора параллельно П. д. можно уменьшить погрешность измерения, однако при этом уменьшается напряжение на выводах датчика. Основные достоинства П. д. — их высокие динамические характеристики и способность воспринимать колебания давления с частотой от десятков гц до десятков МГц. Применяются при тензометрических измерениях, в весовых и сортировочных (по весу) устройствах, при измерениях вибраций и деформаций и т.д.
Схема устройства пьезоэлектрического датчика давления: p — измеряемое давление; 1 — пьезопластины; 2 — гайка из диэлектрика; 3 — электрический вывод; 4 — корпус (служащий вторым выводом); 5 — изолятор; 6 — металлический электрод.
[1]
Измерительный преобразователь, средство измерений, преобразующее измеряемую физическую величину в сигнал для последующей передачи, обработки или регистрации. В отличие от измерительного прибора, сигнал на выходе И. п. (выходная величина) не поддаётся непосредственному восприятию наблюдателя. Обязательное условие измерительного преобразования — сохранение в выходной величине И. п. информации о количественном значении измеряемой величины. Измерительное преобразование — единственный способ построения любых измерительных устройств. Отличие И. п. от других видов преобразователей — способность осуществлять преобразования с установленной точностью. Измерительное преобразование одного и того же вида (например, температуры в механическое перемещение) может осуществляться различными И. п. (ртутным термометром, биметаллическим элементом, термопарой с милливольтметром и т. п.). Концепция представления измерительных устройств как устройств, осуществляющих ряд последовательных преобразований от восприятия измеряемой величины до получения результата измерения, первоначально была выдвинута в СССР М. Л. Цукерманом и окончательно сформулирована применительно к измерению неэлектрических величин Ф. Е. Темниковым и Р. Р. Харченко в 1948. В 60-х гг. эта концепция стала общепризнанной во всех областях измерительной техники, приборостроения и метрологии.
[1]
Принцип действия И. п. может быть основан на использовании практически любых физических явлений. Господствующей тенденцией в 40—70-х гг. 20 в. стало преобразование любых измеряемых величин в электрический сигнал. По виду преобразуемых величин различают И. п. электрических величин в электрические, электрических — в неэлектрические, неэлектрических — в электрические, неэлектрических — в неэлектрические. Примерами первых могут служить делители напряжения и тока, измерительные трансформаторы, измерительные усилители тока и напряжения; примерами вторых — механизмы электроизмерительных приборов, преобразующие изменение силы тока или напряжения в отклонение стрелки или светового луча, датчики ультразвуковых расходомеров и т. п.; примерами третьих — термопары, терморезисторы, тензорезисторы, фотоэлементы, реостатные, ёмкостные и индуктивные датчики перемещения; примерами четвёртых — пневматические И. п., рычаги, зубчатые передачи, мембраны, сильфоны, оптические системы и т. п. Конструктивное объединение нескольких И. п. является также И. п. Примерами такого объединения могут служить: датчик — совокупность И. п., вынесенных на объект измерения; так называемый промежуточный И. п. — совокупность И. п., преобразующих выходные сигналы датчиков в другие сигналы, более удобные для передачи, обработки или регистрации. По структуре составные И. п. подразделяют на И. п. прямого преобразования и уравновешивающего преобразования. Первые характеризуются тем, что все преобразования величин производятся только в одном (прямом от входной величины к выходной) направлении. В этом случае результирующая погрешность определяется суммой погрешностей (с учётом их корреляционных связей) всех составляющих И. п. Для вторых характерно применение обратного преобразования выходной величины в однородную с входной и уравновешивающую её величину. Результирующая погрешность при этом определяется лишь погрешностью обратного преобразования и степенью неуравновешенности. И. п. уравновешивания подразделяются на следящие преобразователи с обратной связью, статическим или астатическим уравновешиванием и преобразователи с программным уравновешиванием. Следящие И. п. с обратной связью обеспечивают непрерывность преобразования во времени; их недостаток — опасность потери устойчивости, проявляющейся в возникновении автоколебаний при увеличении глубины обратной связи. И. п. с программным уравновешиванием свободны от этого недостатка, но их особенностью является прерывность выходной величины, т. е. появление выходной величины лишь в отдельные дискретные моменты времени.
В 60-х гг. наметилась тенденция преобразования измеряемых величин в частоту электрических импульсов с помощью так называемых частотных И. п. Такие И. п. разработаны почти для всех известных физических величин. Основные достоинства частотных И. п. — простота и высокая точность передачи их выходной величины (частоты) по каналам связи, а также относительная простота цифрового отсчёта результата измерения с помощью цифровых частотомеров. В цифровых измерительных устройствах широко применяются И. п. аналоговых величин в цифровой код и наоборот. В них используются принципы как частотных И. п. (интегрирующие аналого-цифровые), так и программного уравновешивания (время-импульсные и поразрядного кодирования аналого-цифровые преобразователи).
[1,2]
Пьезоэлектричество (от греч. piézo — давлю и электричество), явления возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект) и возникновения механических деформаций под действием электрического поля (обратный пьезоэлектрический эффект). Прямой и обратный пьезоэлектрический эффекты наблюдаются в одних и тех же кристаллах — пьезоэлектриках. Первое подробное исследование пьезоэлектрических эффектов сделано в 1880 братьями Ж. и П. Кюри на кристалле кварца. В дальнейшем пьезоэлектрические свойства были обнаружены более чем у 1500 веществ, из которых широко используются сегнетова соль, титанат бария и др. (см. Пьезоэлектрические материалы). Пьезоэлектрические свойства кристаллов связаны с их структурой. Ими обладают все пироэлектрики (спонтанно поляризованные диэлектрики). При механической деформации пироэлектрика меняется величина его спонтанной поляризации, что и наблюдается как прямой пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрические эффекты наблюдаются также в некоторых непироэлектриках (например, у кварца). Справедливо общее утверждение: кристаллы, обладающие центром симметрии, не могут быть пьезоэлектриками. Это объясняется тем, что при деформации кристалла центр симметрии сохраняется, а при наличии центра симметрии не может быть поляризации (рис. 1, 2). Наличие других элементов симметрии (оси, плоскости симметрии) может «запрещать» появление поляризации в определённых направлениях или при некоторых определённых деформациях (см. Симметрия кристаллов).
Количественными характеристиками П. в данном кристалле является совокупность пьезоконстант и пьезомодулей — коэффициент пропорциональности между электрическими величинами (напряжённость электрического поля Е, поляризация P) и механическими величинами (механические напряжения , относительные деформации u). Например, P = d. Коэффициент d и есть одна из пьезоконстант. Т. к. произвольное механическое напряжение может быть представлено как совокупность 6 независимых напряжений, а вектор поляризации P имеет 3 независимых компоненты, то в общем случае может быть 18 разных пьезоконстант d. Однако симметрия кристалла ограничивает число независимых и отличных от нуля пьезоконстант. Величина d зависит от условий опыта, а именно: она имеет одно значение d, если заряд на обкладках конденсатора (рис. 3) поддерживать равным нулю, и другое значение d', если обкладки конденсатора закорочены, т. е. Е = 0. Поэтому соотношение P = d целесообразно записывать, например, в виде: P = d' + Е. Величины d и d' связаны соотношением d’= d, где — диэлектрическая проницаемость кристалла.
Пьезоконстантами называются также коэффициенты r, g, h в соотношениях P = ru + ’Е, u = S' + hP, u = S' + hE и т.п. Все пьезоконстанты d, r, g, h связаны друг с другом, так что при описании пьезоэлектрических свойств кристалла можно ограничиться только одной, например d. Характерная величина пьезоконстанты d в системе СГСЭ составляет для кварца 310—8. Существенно больших величин могут достигать пьезоконстанты сегнетоэлектриков, что связано с их высокой диэлектрической проницаемостью и доменной структурой, которая может перестраиваться при деформации.
Пьезоэлектрики широко применяют в технике, акустике, радиофизике и т.д. Их применение основано на преобразовании электрических сигналов в механические и наоборот. Пьезоэлектрики используются в резонаторах, входящих в состав генераторов (см. Кварцевый генератор), фильтров, различного рода преобразователей и датчиков.
Рис. 2. а — плоская модель кристалла, обладающего центром симметрии; б — тот же кристалл, подвергнутый сжатию.
Рис. 1. а — плоская модель кристалла, не имеющего центра симметрии; центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают, стрелки изображают отдельные электрические дипольные моменты одной группы зарядов; б — тот же крисстал, подвергнутый сжатию, при котором изменяются длины связей между зарядами каждой группы, но не углы между ними; горизонтальная стрелка слева — суммарный электрический дипольный момент одной группы зарядов.
Рис. 3. а — прямой пьезоэлектрический эффект; сжатие или растяжение пьезоэлектрической пластины приводит к возникновению разности потенциалов; б — обратный пьезоэлектрический эффект; в зависимости от знака разности потенциалов, приложенной к пьезоэлектрической пластинке, она сжимается или растягивается.
[3,4]
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ, громкоговоритель, в котором в качестве преобразователя электрич. колебаний (звуковых частот) в механические используют пьезоэле-мент (см. Пьезоэлектричество). Наибольшее распространение получили П. г. с плоским (квадратным в плане) пьезоэлементом из сегнетовой соли. К свободному углу такого элемента приклеивается своей вершиной конич. диафрагма - излучатель звука. П. г., несмотря на низкое качество их звучания и малую надёжность пьезоэлементов, выпускались в СССР в годы Великой Отечеств. войны 1941-45 и в первые послевоен. годы как наиболее дешёвые и простые в изготовлении
[3,4]
Пьезоэлектрические датчики серии Т предназначены для измерениядавлений газов и жидкостей в диапазоне от 0 до 600 МПа.
Состав: Датчик давления пьезоэлектрический, кабель соединительный, кольцо уплотнительное, пластина защитная, смазка термозащитная. Пьезоэлектрические датчики серии Т предназначены для измерения динамических и квазистатических давлений газов и жидкостей в диапазоне от 0 до 600 МПа, возникающих при выстреле, в манометрической бомбе, в камерах сгорания двигателей, в топливной аппаратуре и т.д.
Отличительные особенности: - Высокая точность преобразования - Миниатюрное исполнение - Низкая чувствительность к ускорению - Устойчивость к воздействию ударов и вибраций