Ионисторы

Ионисторы – это разновидность электрохимических преобразователей, осно­ванных, подобно полупроводниковым транзисторам, на использовании запираю­щего слоя, обедненного носителями электрических зарядов. Такой слой можно по­лучить в электролитах, содержащих как окисленные, так и восстановленные формы определенных ионов, например I^–₃/I^–, Fe⁺⁺⁺/Fe⁺⁺ и др.

Н

Рис. 2-48

а рис. 2-48,а и б показаны устрой­ство и статическая вольт-амперная харак­теристика электро-химического диода. Диод состоит из герметичного корпуса 1, за­полненного водным раствором KI с неболь­шой добавкой йода, который в присутст­вии ионов I^– может существовать в раст­воре только в виде трехйодных ионов I^–. При этом концентрация ионов I^–₃ на два-три порядка меньше концентрации ионов I^–. Такой электролит совместно с инертными электродами 2 и 3 образует обратную окислительно-восстановительную систему. Од­ним из электродов является торец тон­кой платиновой проволоки 2 (микроэлект­род), а другим – цилиндр из платиновой фольги 3. При отрицательной полярности микроэлектрода, когда он является като­дом, на нем восстанавливаются окисленные ионы I^–₃ (I^–₃ + 2e → 3I^–), концентрация которых мала, и у этого электрода образуется запирающий слой, поэтому диод за­крыт. При положительной полярности микроэлектрода, когда он является анодом, на нем происходит окисление ионов I^– (3I^–₃ → I^–₃ + 2е), концентрация которых ве­лика, вследствие чего сопротивление перехода микроэлектрод – раствор уменьшается и диод открывается. Пороговое напряжение у таких диодов составляет де­сятки милливольт, а обратный ток 10^-8 А. Напряжение, прикладываемое к ионисторам, не должно превышать – 0,9 В, так как при больших напряжениях может произойти электролиз воды и «пробой» ионистора.

Ионисторы в виде диодов, триодов и тетродов применяются для интегрирования и усиления постоянных токов, для выпрямления, усиления и генерирования пере­менных токов низкой и инфранизкой частот, а также в качестве элементов памяти, преобразователей импульсов и т.д. Ионисторы обладают малым уровнем собствен­ных шумов. Дрейф выходного сигнала интегратора-тетрода, приведенный ко входу, составляет 10^-9 А.

Другой распространенной группой ионисторов являются конвекционные ионисторы, основанные на перемещении окисленных ионов вместе с движущимся элект­ролитом. Такие ионисторы применяются для измерений давлений, ускорений, пере­мещений, магнитной индукции и др.

Ионисторы отличаются высокой чувствительностью и широким диапазоном из­мерений. Известны ионисторы с чувствительностью к давлению 60 мкА/Па. Один и тот же преобразователь можно использовать без дополнительных регулировок и переключения пределов для измерения ускорений в диапазоне 0,01–10 м/с². Частотный диапазон ионисторов главным образом определяется скоростью диффузии ионов, жесткостью мембран и гидродинамическим сопротивлением. Практически частотный диапазон ионисторов лежит в пределах 0,001–200 Гц.

Электрокинетические преобразователи

Рис. 2-49

Электрокинетические преобразователи (ЭКП) основаны на использовании раз­ности потенциалов, возникающих при протекании полярной жидкости через пористую перегородку или при деформации границы раздела двух жидкостей, раз­личающихся физическими свойствами. На рис. 2-49, а показан ЭКП давления, состоящий из изоляционной пористой перегородки 1 с диаметром пор 10–100 мкм, по бокам которой расположены сетчатые электроды 2. Корпус преобразователя, закрытый по бокам мембранами 3, заполняется полярной жидкостью (вода, спирт, ацетон и др.). ЭКП такого типа отличаются широким диапазоном измерения (0,1 Па – 1 МПа). Чувствительность к ускорениям составляет 1 мВ/(м/с²).

На рис. 2-49, б изображен капиллярный ЭКП для измерений параметров вибра­ций. Он состоит из стеклянного капилляра 1, заполненного электролитом 2 и рту­тью 3, с которыми контактируют выводы 4. На концах капилляра имеются воздушные пузырьки 5, являющиеся упругими элементами преобразователя. При вибрации, направленной вдоль оси капилляра, возникает возвратно-поступательное движение ртути и электролита, приводящее к деформации границы раздела между ними, по­скольку плотности и коэффициенты кинематической вязкости ртути и электролита отличаются на порядок. Возникающая при этом периодическая конвективная диффу­зия ионов на границе раздела приводит к появлению переменных токов через пре­образователь. Частотный диапазон преобразователя в режиме акселерометра 0,1–10⁴ Гц, диапазон измерений 10^-5–10 м/с², чувствительность 0,1–1 мВ/(м/с²).

На рис. 2-49, в показан частотный ЭКП для измерений медленно меняющихся механических величин (перемещения, давления, силы). Капилляр 1, в котором находятся два столбика электролита 2, разделенные каплей ртути 3, и два воздушных пузырька 4, представляет собой резонатор, один конец которого герметически закрыт, а на другом установлена мембрана 5. Резонатор с помощью электродов 6, 7 и 8 подключен к усилителю 9. При подаче напряжения на электроды 6 и 7 происхо­дит деформация границ раздела ртуть – электролит, что приводит к возвратно-поступательному движению ртути и электролита и самовозбуждению автогенера­тора, колебательным контуром которого является электрокинетический резонатор. Частота автогенератора при отсутствии внешних воздействий определяется параметрами резонатора (жесткость мембраны, масса ртути и электролита, объем воздушных пузырьков). Перемещение мембраны под воздействием внешнего давления приводит к изменению объема воздушных пузырьков и собственной частоты резонатора, кото­рая определяет частоту автогенератора. Изменение давления на мембрану в пре­делах 10–10⁵ Па или перемещение мембраны в пределах 10³–1 мм вызывает из­менение частоты автогенератора в пределах 0,5–10³ Гц. Чувствительность преобра­зователя давления 0,1 Гц/Па, преобразователя перемещения 1 Гц/мкм.

Частотные свойства ЭКП определяются гидродинамической инерционностью самого электрокинетического эффекта, гидродинамической инерционностью движе­ния жидкости в капиллярах с учетом вязкости и жидкости, механической инерцион­ностью, обусловленной жесткостью мембран и массой движущейся жидкости. В за­висимости от вида и конструкции ЭКП их частотный диапазон составляет от сотых долей герца до нескольких килогерц.