- •Рецензенты:
- •Оглавление
- •Предисловие
- •Введение
- •Глава 1. Основныепонятияи определения измерительной техники
- •Основные понятия и определения метрологии
- •Единицы физических величин
- •Классификация и методы измерений
- •Классификация средств измерений
- •Метрологические характеристики средств измерений
- •Классификация погрешностей
- •Модели измерительного процесса
- •Систематические погрешности
- •Случайные погрешности
- •Обработка результатов измерений
- •Суммирование погрешностей
- •Формы записи результатов измерений
- •Глава 2. Технические средства измерений электрических величин
- •Электромеханические измерительные приборы
- •Электромагнитные измерительные приборы
- •Электродинамические измерительные приборы
- •Ферродинамические измерительные приборы
- •Электростатические измерительные приборы
- •Индукционные измерительные приборы
- •Электромеханические приборы с преобразователями
- •Измерительные трансформаторы тока и напряжения
- •Измерительные трансформаторы переменного тока
- •Измерительные трансформаторы напряжения
- •Основными параметрами трансформатора напряжения
- •Электронные измерительные приборы
- •Электронные вольтметры постоянного тока
- •Электронные вольтметры переменного тока
- •Электронный вольтметр среднего значения
- •Амплитудный электронный вольтметр (диодно- конденсаторный)
- •Электронный вольтметр действующего значения.
- •Электронный омметр
- •Цифровые измерительные приборы
- •Измерительные мосты и компенсаторы
- •Компенсаторы постоянного тока
- •Компенсаторы переменного тока
- •Автоматические компенсаторы постоянного тока
- •Мосты переменного тока
- •Глава 3. Общие сведения об измерении неэлектрических величин
- •Схемы включения преобразователей в мостовые схемы
- •Динамические свойства преобразователей
- •Классификация измерительных преобразователей
- •Глава 4. Параметрические преобразователи
- •Фотоэлектрические преобразователи
- •Емкостные преобразователи
- •Тепловые преобразователи
- •Погрешности термоанемометра
- •Погрешности газоанализатора.
- •Ионизационные преобразователи
- •Реостатные преобразователи
- •Тензорезистивные преобразователи
- •Индуктивные преобразователи
- •Магнитоупругие преобразователи
- •Погрешности магнитоупругих преобразователей
- •Применение магнитоупругих преобразователей
- •Генераторные преобразователи
- •Гальванические преобразователи
- •Глава 5. Классификация ацп, методыпреобразования и построения ацп
- •Аналого-цифровое преобразование сигналов
- •Классификация ацп
- •Классификация ацп по методам преобразования
- •Метод последовательного счета
- •Метод поразрядного уравновешивания
- •Метод одновременного считывания
- •Построение ацп
- •Сравнительные характеристики ацп различной архитек- туры
- •Параметры ацп и режимы их работы
- •Максимальная потребляемая или рассеиваемая мощность
- •Глава 6. Измерительные информационные системы
- •Стадии проектирования иис:
- •Роль информационных процессов
- •Виды и структуры измерительных информационных систем
- •Основные компоненты измерительных информационных систем
- •Математические модели и алгоритмы измерений для измерительных информационных систем
- •Нет Корректировка алгоритма измерения Измерение
- •Разновидности измерительных информационных систем
- •Многоточечные (последовательно-параллельного дей- ствия) ис
- •Аппроксимирующие измерительные системы (аис).
- •Телеизмерительные системы
- •Системы автоматического контроля
- •Системы технической диагностики
- •Системы распознавания образов
- •Особенности проектирования измерительных информационных систем
- •Интерфейсы информационно-измерительных систем
- •Заключение
- •Список литературы
- •Основные и производные единицы Основные единицы измерения
- •Приборы для измерения электрической мощности и количества электричества
- •Приборы для измерения электрического сопротивления, емкости, индуктивности и взаимной индуктивности
- •И угла сдвига фаз
- •Прочие электроизмерительные приборы
- •Электронные измерительные приборы и устройства
- •Средства измерений и автоматизации
- •ГосТы, осТы и нормативные документы иис
Генераторные преобразователи
Пьезоэлектрические преобразователи выполняются из мате- риалов, в которых может возникать пьезоэлектрический эффект. Пьезоэффект может быть прямым и обратным.
Прямой пьезоэффект заключается в возникновении электри- ческих зарядов на граняхпьезоэлектрика при воздействии на него
механической силы, вызывающей напряжение в материале. При устранении силы заряды исчезают.
Обратный пьезоэффект проявляется в том, что пьезоэлек- трик, помещенный в электрическое поле, изменяет свои геомет- рические размеры. Чаще всего в качестве пьезоэлектрика приме- няется кварц, на примере которого и рассмотрим принцип дей- ствия пьезоэлектрического преобразователя.
В кристаллах кварца принято различать три главные оси: эле- рическую Х, механическую У и оптическую Z (рис. 4.59).
Z
FZ a
b
c
X X
Y
X FX
FY
FX
Y
X FY
Рис. 4.59. Кристалл кварца
Параллелепипед, вырезанный из кристалла кварца так, чтобы его грани были параллельны главным осям, обладает следующи- ми свойствами:
продольный пьезоэффект при воздействии силы Fx, направ- ленной вдоль электрической оси Х, на гранях bс, перпендикуляр- ных этой оси, появляютсяэлектрические заряды;
поперечный эффект при воздействии силы FY, направлен- ной вдоль механической оси Y, заряды появляются также на гранях bс;
отсутствие зарядов при приложении механической силы вдоль оптической оси Z.
Величина зарядов, возникающих на гранях кристалла bс под действием силы FX, не зависит от геометрических размеров кри- сталла и равна:
q = d1FX, (4.17)
где d1 – постоянный коэффициент, называемый пьезоэлектриче- ской постоянной.
Величина зарядов, возникающих под действием силы FY, за- висит от геометрических размеров кристалла и имеет противопо- ложный знак:
q = -d1FYb/a, (4.18)
где d1 – та же постоянная, что и в формуле (4.18); b, а – длина и ширина граней соответственно.
Из (4.17) видно, что в случае необходимости можно повысить чувствительность пьезоэлектрика, увеличив отношение b, а.
В случае растягивающих усилий вдоль осей Х и Y возникаю- щие заряды будут иметь знаки, противоположные случаю сжи- мающих усилий.
В тех случаях, когда параллелепипед вырезан не вдоль осей, а под углом к ним, возникающие заряды будут меньше. Учет углов рассматривается в специальной литературе.
В качестве пьезоэлектриков наиболее часто применяют сегне- тову соль, кварц, титанат бария, пьезокерамику на основе свинца и бария.
Наибольшее применение для измерительных целей получил кварц, так как он обладает высокой механической прочностью,
хорошими изоляционными качествами, независимостью пьезо- электрической постоянной от температуры в широком диапазоне (до 200°С коэффициент d1 совсем не зависит от температуры, а в пределах 200...500°С зависит незначительно). Кроме того, кварц негигроскопичен. Недостатком кварца является значительная за- висимость удельного сопротивления кварца от температуры. Так, при изменении температуры от 20 до 300°С удельное сопротив- ление кварца вдоль оптической оси сильно меняется от 1 · 1012 до 6 · 105 Ом · м2/м,
Устройство пьезоэлектрического преобразователя схематично изображено на рис.4.60.
2
3
* * * * * * * * * * * * * *
* * * * * *
- -
+ +
1 P 5 4
Рис. 4.60. Устройство пьезоэлектрического преобразователя: 1 – кварцевые пластины; 2 – пробка; 3 – кабель; 4 – мембрана;
5 – латунная фольга
Здесь измеряемое давление Р действует на мембрану 4, кото- рая является одновременно дном корпуса преобразователя. Квар- цевые пластины 1 соединены параллельно. Наружные обкладки кварцевых пластинзаземляются,а средняяобкладка (латунная фольга 5) изолируется относительно корпуса самим кварцем, удельное сопротивление которого велико (при 20 °С ρ = 1 · 1012 Ом · м2/м).
Сигнал с кварцевых пластин снимается при помощи латунной фольги 5 и по кабелю 3 подается на вход измерительного усили- теля. Для удобства соединения вывода от фольги с внутренней
жилой экранированного кабеля в корпусе преобразователя преду- смотрено отверстие, закрываемое пробкой 2.
Заряд, возникающий на гранях пьезоэлемента под действием давления Р, сохраняется лишь при отсутствии утечки, т.е. при бесконечно большом входном сопротивлении измерительной це- пи. Практически это условие невыполнимо, а потому пьезоэлек- трические преобразователи для измерения статических сил не применяются. При действии динамических, т.е. переменных во времени, сил количество электричества на гранях все время вос- полняется и становится возможным потребление тока измери- тельной цепью.
Тем не менее, требование к величине входного сопротивления измерительной цепи остается жестким, так как выходная мощ- ность пьезоэлектрических преобразователей очень мала и на вы- ход преобразователя должен быть включен усилитель с возможно большим входным сопротивлением (1010...1013 Ом). Этому требо- ванию обычно удовлетворяют только электрометрические лампы. Если вдоль электрической оси пьезоэлектрика приложена си-
ла, изменяющаяся по закону синуса, т.е. Fx=FXmsinωt, то напря- жение на выходе преобразователя тоже будет изменяться синусо- идально.
Если бы входное сопротивление измерительной цепи было бесконечным, то напряжение преобразователя U определялось бы только генерируемым количеством электричества q и собствен- ной емкостью С0:
U=q/C0=d1FXmsinωt/C0. (4,19)
Величина C0 обычно составляет десятки пикофарад. Величина сопротивления пластин пьезоэлектрика, например из кварца, оставляет 1015...1016 Ом. Поверхностное сопротивление кварца лежит в пределах 109...1010 Ом. Необходимо следить за тем, что-
бы поверхность пьезоэлектрика не загрязнялась, в противном случае сопротивление резко упадет.
Основными составляющими погрешностями пьезоэлектриче- ских преобразователей являются:
погрешность от изменения параметров измерительной цепи (например, емкости Свх);
погрешность от изменения окружающей температуры, свя- занная с изменением пьезоэлектрической постоянной:
погрешность из-за неправильной установки пластин, кото- рая может быть учтена при градуировке;
погрешность,вызванная чувствительностью к силам,дей- ствующим вдоль механической оси;
частотная погрешность.
Нижняя граница частотного диапазона определяется величи- нойпостоянной времени цепи τ = R(Cвх + С0), которая может быть увеличена путем увеличения входного сопротивления Rвх. Увели- чение входной емкости Свх ведет к потере чувствительности пре- образователя.
Верхняя граница допустимого частотного диапазона опреде- ляется частотой собственных колебаний преобразователя. Пьезо- электрические преобразователи могут быть выполнены с часто- той собственных колебаний до 100 кГц, что позволяет использо- вать их для измерения механических величин, изменяющихся с частотой 7...10кГц.
Пьезоэлектрические преобразователи применяются для изме- рения переменных сил, давлений, вибрационных ускорений.
Примером применения пьезоэлементов служат профилометры
приборы для оценки шероховатости поверхности обрабатывае- мой детали (рис.4.61).
Ощупывающая алмазная игла 1, имеющая радиус закругления 1,5 мкм, укреплена на конце подвижного коромысла 2, которое может вращаться вокруг оси 3. На другом конце коромысла име- ется «смычок» 4, связывающий при помощи эластичной ленточки 5 подвижное коромысло 2 со свободным концом пластинок 6 из сегнетовой соли. Другой конец пластинок закреплен неподвижно. Пластинки соединены параллельно так, что на наружных гранях пластинок появляется заряд одного знака.
4
5
+
-
-
+
1 2 3 6
7
* * * * * *
* * * * * *
Рис. 4.61. Устройство профилометра: 1 – алмазная игла; 2 – подвижное коромысло; 3 – ось; 4 – «смычок»; 5 – эластичная ленточка; 6 – пластинки; 7 – экранированный кабель
При перемещении иглы 1 в вертикальном направлении (из-за шероховатостей исследуемой поверхности) свободный конец пластинок 6 также перемешается, пластинки изгибаются и на по- верхностях пластин появляется заряд. Гибкий экранированный кабель 7 соединяет грани пьезопреобразователя с измерительной цепью.