Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы измерений. Учебное пособие
.pdf
Рисунок 90 - Кварцевый кристалл (О — оптическая ось;
x — электрическая ось)
Так называемый пьезоэффект возникает на кристаллах
кварца, турмалина, сегнетовой соли (калийно-натриевая соль винной
кислоты), титаната бария и некоторых других веществ.
Пьезоэлектрические чувствительные элементы позволяют
контролировать быстро протекающие процессы, так как заряды
образуются практически безынерционно. Для измерений почти всегда
применяют кварц, имеющий низкую температурную чувствительность
и обладающий большим модулем упругости (81010 Н/м2),
озволяющим осуществлять измерения при ничтожно малых
п
перемещениях. Кристаллы кварца представляют собой шестиугольные
призмы (рис. 90) с продольной, называемой оптической, осью о—z.,
проходящей через ребра призмы электрической осью х—х и
нейтральной, или механической, осью у—у, проходящей через
середины противолежащих граней. Вырезанный из кварцевого
кристалла прямоугольный параллелепипед (пластина), грани которого
перпендикулярны осям у—у и х—х, обладает пьезоэлектрическими
свойствами.
Сила, направленная по оси о—z параллелепипеда, не
возбуждает электрических зарядов на его гранях. Под действием
растягивающего или сжимающего усилия, направленного вдоль
электрической оси х—х, на перпендикулярных этой оси гранях
221
возникают заряды разного знака (так называемый продольный
эффект).
Этот заряд равен Qx = d.F
где Qx — заряд; d — постоянный
x,
коэффициент (пьезомодуль); Fx — сила, действующая на поверхность
кристалла. Как видно из приведенного выше уравнения, Qx не зависит
от размеров кристалла кварца. Нагрузки, действующие в направлении
механической оси кристалла, вызывают возникновение заряда:
l
Qy =d
y
.Fy,
l
x
где lx и lн — размеры кристалла в направлениях осей х и у. При
поперечном эффекте Qн зависит от размеров кристалла. Условия
прочности не позволяют получить большие заряды за счет увеличения
нижения lx, поэтому практически используют лишь продольный
ly и с
пьезоэффект. При температурах выше 500 °С пьезоэффект исчезает.
Температура 537 °С, при которой структура кварца переходит в
структуру, не обладающую пьезоэлектрическим эффектам, называется
точкой Кюри. Для измерения электрических зарядов, возникающих на
гранях кварцевой пластины, последние покрывают металлическим
слоем, образуя конденсатор. Так как Q = CU, то напряжение на
кристалле
U =
= ,
C
CC
+
s0
dF
Q
где С0 — емкость кварца; Сs — неизбежная емкость проводов и
подключенных устройств. Обычно емкость Сs превышает емкость
пьезокристалла С0, что резко снижает полезный эффект. Поэтому Сs
искусственно увеличивают параллельным соединением нескольких
пластин; выбор их числа позволяет изменять диапазон измерения.
Величина Сs учитывает и емкость кабеля, поэтому подводящие
провода поставляют изготовители, а численное значение их емкости
учитывают при калибровке.
Характеристики пьезопреобразователей. Входная величина:
сила, давление. Выходная величина: заряд. Диапазон измерения: до
самых высоких давлений и усилий. Погрешность: ±(1—3) % верхнего
значения диапазона измерения. Динамическая характеристика:
верхняя граница частот не определена.
222
Преимущества: широкий диапазон рабочих температур,
минимальные упругие деформации, очень широкий диапазон
измерений, высокая чувствительность. Недостатки: необходимость
обеспечения очень высокого сопротивления изоляции, непригодность
для статических измерений.
Емкостные чувствительные элементы
Ёмкость плоского конденсатора без учета краевого эффекта
определяется уравнением
С =
ε0ε
A/d,
rr
где ε0 = 8,8542.10
-12
А-с/(В-м) - диэлектрическая постоянная} εг
- относительная диэлектрическая проницаемость среды, находящейся
между пластинами конденсатора; А - площадь пластин; d - расстояние
между ними. Емкость конденсатора изменяется при изменении
площади пластин, расстояния между ними (зазора) и диэлектрической
проницаемости материала.
Чувствительные элементы c изменяющимся зазором При
изменении зазора d м
ежду пластинами (рис. 91) на величину Ad
емкость конденсатора определяется уравнением
A
εε
C =
r0
dd
∆+
Рисунок 91 - Плоский конденсатор с изменяющимся зазором
Только при малых относительных изменениях зазора
зависимость между ∆С/С и
∆
d /d практически линейна. При ∆d /d =
0,1 нелинейность составляет 10%, при ∆d /d = 0,01 ∼ 1 %.
223
∆
d/d
Характеристика элементов
Входная величина: перемещение. Выходная величина:
изменение емкости. Диапазон измерения: до 1 мм. Погрешность от
нелинейности: 1—3 %. Частотный диапазон: 0—105 Гц.
Преимущества: малая величина необходимых для измерений
усилий; достаточная чувствительность при высоких температурах.
Недостатки: чувствительность нелинейна; очень большое внутреннее
сопротивление; необходимость применения коротких подводящих
проводов; чувствительность к электрическим помехам.
Чувствительный элемент с изменяющейся площадью
пластин В уравнении емкости конденсатора величина А представляет
собой площадь взаимного перекрытия пластин. Смещением обеих
пластин относительно друг друга на величину s можно изменить
площадь их перекрытия, причем для пластин прямоугольной формы
зависимость А = bs линейна (рис. 92). Поскольку величина А
находится в числителе уравнения емкости конденсатора С, то С
линейно зависит от s. И
спользование пластин различной формы
позволяет получить квадратичные, логарифмические и т.п.
зависимости. Конденсатор переменной емкости, состоящий из
круглых поворотных пластин, применим для измерения угла
поворота.
Рисунок 92 - Плоский конденсатор с изменяющимся перекрытием
пластин
Наряду с аналоговыми приборами в измерении электрических
величин широко используются цифровые. Все величины при этом
224
преобразуются в цифровую форму при помощи аналогово-цифровых,
интервально-числовых или частотно-цифровых преобразователей.
Форма представления сигнала о физической величине в виде кода
называется цифровой. В этом случае каждому значению отсчета ФВ
соответствует кодовая группа в виде комбинации простых сигналов
(Код - набор символов и правил их комбинирования для получения
кодовой группы). Коды различаются системой счисления: например
двоичный, восьмеричный, десятичный и т. д. Чаще всего используется
двоичный код.
Цифровые электроизмерительные приборы позволяют
считывать сигнал непосредственно в единицах измеряемой величины. В
качестве индикаторов применяются самые разнообразные устройства,
которые можно классифицировать по типу индикаторов и по
принципу индикации (рис. 93).
Рисунок 93 - Индикаторы цифровых электроизмерительных приборов
В современных приборах индикаторы иногда не используются,
и компьютер является единственным средство вывода информации.
Такого рода приборы имеют, как правило, первичный
преобразователь, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и
225
компьютер. Поскольку информация в компьютер должна вводиться в
виде кода, то такие приборы можно отнести к классу специфических
цифровых приборов.
Магнитные преобразователи
Классификация магнитных преобразователей и приборов по
принципу физического явления можно условно разделить на два класса в
соответствии с силовым взаимодействием и явлением
электромагнитной индукции. Существует еще промежуточная группа
приборов и преобразователей, основанных на гальваномагнитных и
магнетронных явлениях. Схема, учитывающая приборы для магнитных
измерений, приведена на рис. 94.
Рисунок 94 - Классификация приборов для магнитных измерений
Механические преобразователи содержат в качестве
чувствительного элемента магниты и контуры с током и делятся на
пассивные и активные. Пассивные выглядят в виде свободно
поворачивающихся стрелок и используются либо для определения
направления вектора В, либо для оценки величины В по
уравновешивающему механическому моменту стрелки известным
моментом.
226
Активные механические преобразователи основаны на
свободных колебаниях стрелки в измеряемом поле и определяют
величину вектора В по периоду или частоте колебаний стрелки.
В квантовых преобразователях используется явление прецессии
электронных или ядерных моментов атомов, составляющих вещество,
вокруг направления магнитного поля. Принцип действия таких
приборов основан на резонансном увеличении поглощения энергии
внешнего ВЧ или СВЧ-поля на частотах, соответствующих разности
энергий дискретных уровней в атоме. Другим квантовым эффектом,
связанным с наличием магнитных полей, является эффект Зеемана расщепление спектральных линий атомов на ряд дополнительных
линий. При этом величина расщепления однозначно связана с
величиной магнитного поля. О величине электрического поля,
окружающего атомы, можно судить и по уширению контуров спектральных линий - так называемое уширение Штарка.
Магнитометрические индукционные приборы, действие
которых основано на явлении электромагнитной индукции, в качестве
чувствительного элемента содержат катушку. При этом выходным
сигналом является э.д.с., наводимая в этой катушке. Если поле
постоянно, то катушку нужно двигать или вращать в поле, т. к. э.д.с.
зависит от производной ds/dt.
Ферроиндукционные преобразователи в качестве
чувствительного элемента содержат ферромагнитный сердечник,
который перемещается в пространстве и создает э.д.с. индукции за счет
изменения параметров магнитной цепи.
Сверхпроводниковые магнитные приборы образуют
специфическую группу преобразователей в связи с тем, что
особенности явления сверхпроводимости позволяют создать набор
преобразователей, в которых используются различные эффекты
сверхпроводимости. Одним из эффектов является эффект Мейснера вытеснение магнитного поля из объема сверхпроводника при
достижении критической температуры. Магнитное поле не может
проникнуть внутрь сверхпроводника, поскольку у него нет
сопротивления и носители заряда, свободно перемещаясь внутри
сверхпроводника, компенсируют внешнее магнитное поле.
227
Другой совокупностью эффектов сверхпроводимости, которая
открыла возможности применения этого явления в измерительной
технике, являются эффекты Джозефсона. Сущность этого эффекта
состоит в появлении переменного тока в цепи, состоящей из двух
сверхпроводников, разделенных тонким слоем диэлектрика. Частота
этого тока зависит от разности потенциалов и атомных констант.
e2
Uf = ,
h
где е - заряд электрона; h — постоянная Планка. Ток через контакт
Джозефсона появляется только начиная с некоторого критического
значения, которое зависит от внешнего магнитного поля.
Гальваномагнитные и магнетронные преобразователи
специфичны поскольку с одной стороны принцип их работы связан с
силовыми взаимодействиями (искривление траекторий движения
свободных зарядов), а с другой близок к индукционным явлениям.
Элементы Холла и магнитосопротивления
При помещении обтекаемого током твердого тела (пластины)
толщиной s в магнитное поле носители зарядов, образующие при
своем движении электрический ток, отклоняются полем в направлении, перпендикулярном направлениям тока и магнитного поля.
В результате смещения зарядов в теле образуется поперечно
направленное электрическое поле и на боковых продольных возникает
разность потенциалов — э. д. с.. Холла U
(рис. 95), определяемая
H
выражением
.
BI
RU
= ,
HH
s
где I — сила тока; В — магнитная индукция; s — толщина пластины;
RH — коэффициент Холла.
228
Рисунок 95 - Эффект Холла
Рисунок 96 - Характеристика датчика положения с
преобразователем Холла
Значение коэффициента Холла для обычных полупроводниковых материалов равно ~200 см8/А.с. С помощью зонда с элементом
Холла, расположенного в магнитном поле, можно преобразовать
угловое перемещение в напряжение. Важная область применения
элементов Холла - измерение положений подвижных деталей без
механического контакта с ними с выдачей напряжения, амплитуда
которого не зависит от скорости движения. На рис. 96 приведена
характеристика такого датчика положения. Положение нулевого
значения напряжения Холла воспроизводится с точностью 0,01 мм.
Элементы Холла позволяют осуществлять кодированное измерение
перемещений, например, при помощи намагниченного согласно
определенному коду вращающегося ферромагнитного диска,
опрашиваемого рядом элементов Холла. Подобное устройство обычно
выполняется как датчик поворота (кодирующий диск).
Описанный выше эффект отклонения электронов магнитным
полем приводит к возрастанию сопротивления и используется в так
называемых магниторезисторах. Последние представляют собой
омические сопротивления, чувствительные к магнитному полю,
причем при изменении индукции, равном 1 В.с/м2, ом
ическое
229
сопротивление увеличивается более чем в 20 раз. Магниторезисторы
можно использовать не только для измерения индуктивности
магнитных полей, но и, подобно зондам Холла, в качестве конечных
выключателей, бесконтактных преобразователей перемещений.
Индуктивные чувствительные элементы
Уравнение, определяющее индуктивность обмотки, имеет
следующий вид:
2
ω
L =
R
m
где ω — число витков; Rm — магнитное сопротивление.
A2µω
При Rm = 1/µA L =
сечения магнитной цепи; l - ее длина; µ - магнитная
, г
де А - площадь поперечного
l
проницаемость.
Из этого уравнения следует, что изменения индуктивности L
можно достичь изменением длины l (воздушного зазора), поперечного
сечения А или магнитной проницаемости µ.. Длина и сечение
магнитопровода являются геометрическими размерами; магнитная
проницаемость может быть изменена, например, путем приложения
механических усилий (магнитоупругие чувствительные элементы).
Чувствительные элементы с подвижным якорем.При
перемещении железного якоря Fe в катушке Sp перераспределяется
число силовых линий, проходящих внутри якоря или по воздуху, что
вызывает изменение магнитного сопротивления Rm, а следовательно,
индуктивности L. Изменение индуктивности зависит от перемещения
якоря s нелинейно. Обычно применяют устройство, показанное на
рис. 97, представляющее собой дифференциально включенные
системы. В этом случае при ходе якоря s индуктивность одной
катушки увеличивается на +∆L, а индуктивность другой уменьшается
на равное значение— ∆L. С помощью, например, мостовой схемы
разность изменений индуктивностей L
—L
1
= 2∆L может быть
2
преобразована в электрическое напряжение. Соответствующее
конструктивное исполнение позволяет получить линейную
зависимость напряжения от перемещения якоря в пределах до 80%
длины катушки.
230
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]