16.4. Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические датчики используются в автоматике при измерении усилий, давления, вибраций, для ориентации устройств. В них используется пьезоэлектрический эффект, сущность которого заключается в том, что под действием приложенного усилия в гранях некоторых кристаллов (кварца, титана бария, турмалина, сегнетовой соли и др.) появляются электрические заряды (прямой пьезоэффект). При внесении пьезоэлемента в электрическое поле он деформируется (обратный пьезоэффект). В пьезоэлементах различают три оси: оптическую Z и перпендикулярные к ней электрическую (пьезоэлектричкую) Х и механическую У. При действии силы Р вдоль оси Х (сжатие или растяжение), на гранях, перпендикулярных к оси Х, возникают разнополярные электрические заряды Q (продольный пьезоэффект). При действии силы вдоль оси У на тех же гранях также возникают разнополярные электрические заряды (поперечный пьезоэффект). При действии силы вдоль оси Z пьезоэффект отсутствует. Количественно пьезоэффект оценивается пьезомодулем k₀. При продольном пьезоэффекте: ; при поперечном пьезоэффекте - , где S_y и S_x площади граней, перпендикулярные к осям Х и У.

Рис. 16.18. Пьезоэлектрические датчики:

а – пьезоэлемент, работающий на сжатие, б-схема включения пьезоэлемента; в,г – пьезоэлементы, работающие на изгиб; д – пьезоэлемент, работающий на сдвиг

Пьезоэлемент представляет собой пластину кристалла с обкладками 2 на гранях Sx (см. рис. 16.18, а). Напряжение между обкладками 2 без учета измерительной схемы (см. рис. 16.18, б) , (16.30)

где  – диэлектрическая постоянная материала пластины, d – толщина пластины.

Выпускаются пьезоэлементы, работающие на сжатие (рис. 16.18, а), на изгиб (рис. 16.18, в, г), на сдвиг (рис. 16.18, д). Пьезоэлемент, работающий на изгиб, состоит из одинаковых, склеенных между собой, пластин пьезоматериала, между которыми находится металлическая пластина. Пьезоэлементы, работающие на сдвиг, выполняют в виде колец 1, в которые вклеен внутренний электрод 2,и наклеен внешний электрод 3.

Если приложенная сила Р_х постоянна, то с течением времени происходит стекание заряда и напряжение с датчика уменьшается по экспоненциальному закону. Поэтому пьезоэлектрические элементы применяют в основном для измерения усилий, изменяющихся с частотой выше 15Гц. Выходное напряжение пьезоэлектрических преобразователей обычно невелико, поэтому в системах автоматики они используются с усилителями.

16.5. Фотоэлектрические датчики

Широкое применение при автоматизации различных производственных процессов находят фотоэлектрические устройства, преобразующие световой поток в электрический сигнал. Выпускаются три вида таких преобразователей: с внешним фотоэффектом (вакуумные или газонаполненные); с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы) и вентильные (полупроводниковые).

Рис. 16.19. Фотоэлектрические датчики: а, б, в -с внешним, внутренним и вентильным фотоэффектом; г-схема включения фототранзистора

Основные характеристики фотоэлементов – это световая, т.е. зависимость фототока от освещенности I_Ф=f(Ф); спектральная – зависимость чувствительности S_ от длины волны  падающих лучей S_=f(); вольт-амперная – зависимость фототока от величины напряжения на фотоэлементе I_Ф=f(U). Фотоэлементы с внешним фотоэффектом (рис. 16.19, а) представляют собой вакуумную лампу 1, на внутреннюю стенку которой нанесен фоточувствительный слой, служащий катодом 2. Под действием светового потока, падающего на катод, последний испускает электроны, которые под действием электрического поля перемещаются к аноду 3, создавая внутри фотоэлемента ток (фототок).

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (рис. 16.19, б) – фоторезисторы, принцип действия которых состоит в том, что свободные электроны, образующиеся под действием светового потока в слое светочувствительного проводника 2 резко изменяют его сопротивление. Светочувствительный материал наносится на изоляционную подложку 3 и сверху покрыт защитной тонкой прозрачной пленкой 1. Широко применяются сернисто-кадмиевые (ФС-К), сернисто-свинцовые (ФС-А), сернисто-висмутовые (ФС-Б) и селинисто-кадмиевые (ФС-Д) фоторезисторы. Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом (рис. 16.19, в) на основе p-n перехода, в котором под воздействием светового потока происходит генерация пар электрон-дырка в области p-n перехода. Электрическое поле p-n перехода разделяет электроны и дырки. Генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению обратного тока фотодиода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения между анодом и катодом при разомкнутой цепи. На рис. 2.15, г показана схема включения фототранзистора с ОЭ, где Rн – сопротивление в цепи коллектора, U₁ – напряжение питания, U₂ – напряжение смещения. Выходные характеристики фототранзистора в этой схеме подобны выходным характеристикам обычного биполярного транзистора, но их положение определяется не током базы, а величиной светового потока.