Физические основы построения измерительных преобразователей генераторного типа

В ряде случаев при измерениях некоторых физических величин удобнее осуществить их предварительное преобразование в сигнал неэлектрической природы. Например, принцип работы некоторых типов датчиков, предназначенных для измерения усилий, давлений, температуры и многих других физических величин, может быть основан на предварительном их преобразовании в микроперемещение чувствительного элемента. Затем уже посредством других физических эффектов микроперемещение преобразуются в изменение параметров электрической измерительной цепи. Существует достаточно большое разнообразие физических эффектов, с помощью которых может быть осуществлено такое предварительное преобразование различных физических величин в сигнал неэлектрической природы. Некоторые из таких физических эффектов и явлений приведены в таблице 2.1.

Реализация в датчиках эффектов и явлений, обеспечивающих преобразование измеряемых физических величин в ток или напряжение, позволяет избавиться от необходимости использования дополнительных источников электрической энергии. Такие измерительные преобразователи относятся к генераторному типу. При реализации измерительного процесса стремятся обеспечить минимальное воздействие на объект измерения. Чаще всего, генерируемая первичными преобразователями полезная мощность сигнала не велика, поэтому требуется дополнительное усиление измерительного сигнала. Приходится также принимать дополнительные меры по снижению влияния различных дестабилизирующих факторов.

В связи с этим оптимальный выбор реализуемых первичными преобразователями физических эффектов является важной задачей как на стадии их разработки и изготовления, так и при проектировании и эксплуатации измерительных приборов и систем, основанных на их применении.

Физические основы создания электромеханических измерительных преобразователей генераторного типа

К настоящему времени известно большое количество физических эффектов, обеспечивающих генерацию электрических сигналов. К числу наиболее широко применяемых в измерительной технике физических явлений, реализующих преобразование механической энергии измеряемого воздействия в электрическое напряжение, можно отнести следующие эффекты.

Эффект Толмена. Суть данного эффекта заключается в том, что проводник, движущийся с ускорением, генерирует ЭДС за счёт инерции электронов. В результате смещения электронов в веществе появляется разность потенциалов по длине проводника в направлении его движения. В цепи из различных материалов появится составляющая разности потенциалов, обусловленная различием концентрации электронов в контактирующих проводниках.

Ионное проскальзывание в газе и жидкости приводит к появлению разности потенциалов в осевом направлении движения плазмы, раствора, так как электроны имеют меньшую массу по сравнению с ионами, поэтому движутся быстрее. В такой цепи (получается колебательный контур) если появляется электрический ток (движутся заряды), то на определенных частотах может возникнуть осцилляции.

Механоэлектрический эффект обусловливает образование электронно-дырочных пар в результате разрыва связей при механической деформации кристаллических структур твёрдых тел.

Акустоэлектрический эффект приводит к возникновению постоянного тока в проводящей среде под действием бегущей ультразвуковой волны. В результате взаимодействия ультразвука с электрической проводимостью фононы гиперзвуковой волны передают электронам импульс () в результате чего возникает электрический ток. Направление тока зависит от направления распространения излучения. При этом ЭДС может достигать нескольких вольт на сантиметр длины проводника при интенсивности излучения в несколько ватт на квадратный сантиметр. Величина тока зависит также от состава материала, температуры, величины механических напряжений в стержне и других факторов. Зависимость величины ЭДС от интенсивности излучения нелинейная.

Трибоэлектричество связано с генерацией при трении материалов свободных электронов, в результате того, что выделяемое тепло приводит к разрыву связей электронов с атомами. При этом электроны переходят в вещество с меньшей их концентрацией.

Установлены следующие особенности данного эффекта:

• при трении диэлектриков положительно заряжается материал с большей диэлектрической проницаемостью (слабее удерживаются электроны);

• металл при трении с диэлектриком заряжается положительно, а диэлектрик – отрицательно;

• мелкие частицы, появляющиеся при дроблении, просеивании, трении, заряжаются отрицательно (выше плотность зарядов, так больше кривизна поверхности);

• одинаковые химические вещества заряжаются при трении неодинаково в зависимости от плотности вещества (более плотное вещество заряжается отрицательно, а менее плотное – положительно).

Существует трибоэлектрический ряд (Фарадея) материалов (предыдущий заряжается положительно по отношению к последующему).

Например: хрусталь; ткань; дерево; металлы и другие материалы.

К числу наиболее широко применяемых в различных областях техники физических явлений относится пьезоэффект.