Лекция №5 Пьезоэлектрические преобразователи

Работа их основана на свойстве некоторых кристаллов электризоваться под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформироваться в электрическом поле (обратный пьезоэффект). При замене сжатия растяжением заряды на гранях кристалла меняют знак, а при изменении направления электрического поля меняют знак деформации.

В измерительной технике наибольшее применение находят пьезоэлектрические преобразователи для измерения сил, давлений, механических напряжений и ускорений, изготовленные из кварца, керамики из поликристалла, титана бария, семетовой соли

Рис. 35. Схема пьезоэлектрического преобразователя.

При параллельном соединении пакета пластин 55увствииительность преобразователя возрастает

Недостатки пьезодатчиков

а) Малая выходная мощность

б) Боковая чувствительность к воздействию в плоскости, перпендикулярной измеряемому направлению (до 20-25%%)

в) Ограничение частотного диапазона со стороны низких частот, затрудняющее тарировку статическими нагрузками.

Г) Повышение требования к надежности изоляции и экранировке проводов, усложняющие конструкцию, но не исключающие утечку зарядов, чем и вызывается невозможность измерений медленно меняющихся параметров.

Д) Большое влияние на чувствительность и точность измерений емкости измерительной цепи.

В основном пьезоэлектрические преобразователи нашли применение для измерений вибрационных ускорений, поскольку частота их собственных колебаний достигает 100 КГц, что позволяет измерять величины, изменяющиеся с частотой до 7-10 Кгц.

Чаще всего пьезоэлектрические преобразователи используются совместно с упругими преобразователями, в которые они встраиваются, образуя цельную конструкцию измерительного прибора.

Вопросы для самоподготовки:

1. Какие параметры измеряют пьезопреобразователи?

2. На каком принципе они работают?

3. Плюсы и минусы пьезопреобразователей?

Лекция №6 Электростатические преобразователи

В общем случае электростатическими называются преобразователи, представляющие собой электропроводные элементы, между которыми действует электрическое поле.

Простейший преобразователь содержит два электрода площадью S, параллельно расположенных на расстоянии в среде диэлектрической проницаемостью . Электрическими параметрами характеризующими преобразователь, являются напряжение между пластинами и, заряд

Где С – емкость, равная для плоскопараллельных пластин , ток , энергия электрического поля .

Если одна из пластин (или диэлектрик между ними) имеет возможность перемещаться, то преобразователь характеризуется такими механическими параметрами, как перемещение x, скорость и электрическая сила притяжения .

При постоянной емкости преобразователь работает как мера емкости или элемент электрической цепи с реактивной проводимостью, пропорциональной частоте.

При емкости, принудительно изменяемой по известному закону (например синусоидальному) преобразователь используется в емкостных модуляторах, измерителях поверхностных зарядов, электростатических генераторах.

При емкости, изменяющейся в зависимости от измеряемой не электрической величины, преобразователь используется для измерения перемещений, усилий, давлений, крутящих моментов, и называется емкостным преобразователем. В измерительной технике эти преобразователи в основном и применяются.

Емкостный преобразователь является параметрическим и основан на изменении емкости конденсатора при поперечном (рис. 36)

Рис.36.

(Применяется в мостовых измерительных системах)

Или продольном (рис. 37) перемещении его пластин друг относительно друга

Рис.37.

При поперечном перемещении пластин, когда меняется зазор между ними, преобразователь имеет высокую 58увствиительность, благодаря чему используется не только для измерения малых перемещений, а в сочетании с механическим упругим преобразователем образует прибор для измерения усилий, давлений, крутящих моментов.

В преобразователях с переменным зазором емкость изменяется обратно пропорционально перемещению (зазору), а реактивное (емкостное) сопротивление является линейной функцией перемещения

(6.1)

Преобразователи с переменной площадью пластин рис.2, применяемые для измерения значительных перемещений, дают линейную зависимость емкости от перемещения и гиперболическую – емкостного сопротивления.

Емкостные датчики отличаются высокой чувствительностью, малыми погрешностями и простотой конструкции.

К недостаткам относятся: необходимость применения высокочастотных генераторов и усилителей, сильное влияние на них внешних электрических полей, требующее экранирования преобразователей и соединительных проводов.

Погрешности емкостных преобразователей определяются температурным влиянием на геометрические размеры (особенно величину зазора) и диэлектрическую проницаемость.

Применение дифференциальных и мостовых измерительных схем позволяет снизить эти погрешности. Емкости большинства преобразователей составляют 10-100пф и поэтому даже на высоких частотах их выходное сопротивление велико ( - Ом), а выходная мощность мала, поэтому надо использовать усилители.

Вопросы для самоподготовки:

1. На каком принципе работают электростатические преобрахователи?

2. Какие параметры измеряют электростатические преобразователи?

3. Плюсы и минусы электростатических преобразователей?