otd

7.7. Пьезоэлектрические преобразователи

Для измерения вибраций и ускорений объекта используется прямой пьезоэлектрический эффект (от греч. piezo — давлю) –

поляризация диэлектрика под действием механических напряжений. Пьезоэлектрическим эффектом обладают кристаллы, которые не имеют центра симметрии. При изменении направления напряжений (сжатие, растяжение) знак заряда на поверхности диэлектрика меняется на обратный. Основная характеристика пьезоматериала определяется коэффициентом электромеханической связи , оценивающим количество энергии входного сигнала, которая преобразуется в другую форму энергии (механическая в электрическую или наоборот). Коэффициент зависит от материала преобразователя и от направления приложения механической силы или электрического поля в кристалле.

В качестве чувствительного элемента преобразователя наиболее часто используют титанат бария ВаТiO3( = 0,3 – 0,4) или титанат-цирконат свинца TiZrPbO2( = 0,5 – 0,7). Пьезоэлектрические преобразователи являются автогенерирующими и могут использоваться для измерений динамических параметров, имеют чувствительность 10 – 15 мВ/g, диапазоны измерения ускорений до 20000 g и вибраций частотой от 2 Гц до 10 МГц. На рис. 7.6 показано устройство пьезоакселерометра. Основными характеристиками пьезоакселерометра являются резонансная частота колебаний и коэффициент преобразования.

7.8. Преобразователи на магнитных эффектах

7.8.1. Датчик Холла.

Эффект Холла – искривление траектории носителей тока в металлах и полупроводниках, находящихся в магнитном поле под действием силы Лоренца. На рис 7.6. иллюстрируется принцип действия датчика Холла. BZ

UY

Рис. 7.6. Принцип работы преобразователя на эффекте Холла Если тонкую пластину полупроводника толщиной h поместить

в магнитное поле BZ, а вдоль пластины пропускать управляющий ток IX, так, что направление тока будет составлять прямой угол с вектором магнитной индукции , то на боковых торцах пластины за счет смещения носителей тока возникает напряжение UY.

Величина напряжения Холла в разомкнутой цепи определяется выражением

UY RhH I X BZ

RH – постоянная Холла, Ом м/Тл;

h – толщина холловской пластины, м; IX – управляющий ток, А;

BZ – магнитная индукция, Тл.

Постоянная Холла RH у полупроводников в 107 раз больше чем у проводников. Промышленность выпускает кремниевые, германиевые и арсенид-галлиевые преобразователи Холла. Чувствительность преобразователей при управляющем токе 5–10 мА составляет (0,4 0,9) 10-4 В/Тл. Габаритные размеры преобразователей могут быть в пределах от 2 2 0,35 мм до

11 4,5 0,7 мм.

Основные технические характеристики датчика ДХК-0.5А :

Номинальный управляющий ток – 3 мА; Напряжение Холла при магнитной индукции 0.25 Тл и номинальном управляющем токе – 70 мВ (чувствительность K = 280 мВ/Т);

Остаточное напряжение при номинальном управляющем токе – не более 7 мВ; Входное сопротивление – 1.8 ... 3 кОм (сопротивление между выводами Iх); Выходное сопротивление – не более 3 кОм (сопротивление между выводами Uх); Масса – не более 2.5 г.

кремниевые бесконтактные датчики, переключатели на эффекте Холла. Работа этих микросхем устроена на измерении магнитных полей, что позволяет их использовать в качестве датчиков движения, положения, вращения в двигателях, тормозных системах, а также в качестве датчиков тока.

К преимуществам магниторезистивных датчиков можно отнести:

•отсутствие зависимости от расстояния между магнитом и датчиком;

•широкий диапазон рабочих температур (от –55 до 150°С);

•датчики зависят только от направления поля, а не его интенсивности;

•долгий срок службы, независимость от магнитного дрейфа.

Магниторезистивные датчики применяются для:

•контроля перемещений объектов

•измерения слабых полей

•измерения частоты вращения

•измерения угловой координаты

7.9.Акустические методы технической диагностики

Вакустических методах используют звуковой и ультразвуковой

диапазоны частот. Слышимый (звуковой) диапазон от 16 Гц до 20 КГц.

Ультразвуковой диапазон от 20 КГц до 50 МГц.

Звон металла при ударе давно используется для определения дефектов в металлических деталях, хотя наибольшее применение этот способ имеет при контроле целостности изделий из стекла. Такой метод называют эффект колокола или интегральный метод свободных колебаний.

На железнодорожном транспорте широко известно применение этого метода при проверке колес подвижного состава путем простукивания молотком с целью определения плотности посадки бандажа и обнаружения трещин. Звук, издаваемый стальной деталью, содержащей дефект, более низкий и глухой по сравнению с бездефектной деталью. Это объясняется тем, что ослабление

амплитуды A и интенсивности J волны колебаний, распространяющихся в среде, определяется затуханием