18.3. Електростатичні перетворювачі

Ємнісний перетворювач являє собою кон­денсатор, ємність якого залежить від вимірюваної неелектричної величини.

Ємність конденсатора визначається розмірами і взаєм­ним розміщенням його обкладок та діелектричною проник­ністю є середовища між ними

де С —ємність між обкладками; S —активна площа об­кладок; б — відстань між обкладками.

З формули видно, що можна побудувати ємнісні перетво­рювачі трьох типів: із змінними відстанню між обкладками, активною площею обкладок і діелектричною проникністю (рис. 188, а, б, в).

Ємність перетворювачів із змінною відстанню між об­кладками використовують для вимірювання малих перемі­щень (від часток мікрометра до одного міліметра). Залеж­ність ємності конденсатора від відстані є нелінійна. Чутли­вість перетворювача зростає із зменшенням проміжку між обкладками. Зменшення початкового проміжку 6₀ обмежує­ться небезпекою пробою. Через нелінійність функції пере­творення діапазон перетворень звичайно дуже вузький і не перевищує +0,1 6₀. Розширити діапазон перетворень можна, застосовуючи диференційні перетворювачі.

Диференційний ємнісний перетворювач являє собою здво­єний перетворювач, який складається з двох конденсаторів. Під дією вимірюваної неелектричної величини один з кон­денсаторів збільшує, а другий зменшує свою ємність.

Диференційні ємнісні перетворювачі порівняно із зви­чайними характеризуються значно кращими чутливістю і лінійністю і меншим впливом зовнішніх факторів на

результат вимірювання. Діапазон перетворень диференційних ємнісних перетворювачів може досягати ±0,4 6₀.

Ємнісні перетворювачі із змінною активною площею між обкладками використовують для вимірювання великих лінійних (більше 1 см) і кутових (до 270°) переміщень.

1 Кори створювачі із змінною діелектричною проникністю застосовують для вимірювань рівня рідин, вологості твер­дих і сипких тіл, товщини ізоляційних матеріалів та інших неелектричних величин.

Недоліками ємнісних перетворювачів є мала електрична потужність і великий електричний опір. Для зменшення впливу цих параметрів на результат вимірювання викорис­товують живлення вимірювальних схем від високочастот­них джерел.

П'є зоелектричні перетворювачі. Прин­цип роботи п'єзоелектричного перетворювача грунтується на використанні прямого п'єзоефекту, який полягає в тому, що на поверхнях деяких кристалів (кварц, сегнетова сіль, титанат барію) під дією механічної сили появляються елек­тричні заряди. З кристалу кварцу, переріз якого зображено ІІ.І рис. 189, вирізають паралелепіпед, щоб його грані були паралельні оптичній Z — Z, електричній X — X та механічній Y — У осям. Під впливом сил F_x та F_y, що

діють перпендикулярно до оптичної осі, на гранях, па­ралельних механічній осі, утворюються електричні заряди. Заряд, що утворюється внаслідок дії сили F_x, напрямле­ної вздовж електричної осі, не залежить від геометричних розмірів п'єзоелемента і дорівнює

де d1 — п'єзоелектрична стала.

Змінюючи напрямок дії сили на протилежний, знак заряду так само змінюється.

Під дією сили F_y, напрямленої вздовж механічної осі, на тих самих гранях, що і внаслідок дії сили F_x, утво­рюється заряд

Залежність заряду від відношення b/a використовують для підвищення чутливості перетворювачів відповідним вибором їх геометричних розмірів.

У більшості випадків п'єзоелектричні перетворювачі виготовляють з кварцу, для якого п'єзоелектрична стала d_i = 2,\ • 10^-12 кл/Н і практично не залежить від темпе­ратури. Модуль пружності кварцу є = (70 — 90) • 10³ Н/мм², а допустиме механічне напруження (G_тах = (70—100) Н/мм².

П'єзоелектричні перетворювачі застосовуються для вимірювання змінних сил і тисків та параметрів вібрацій.

Верхня межа частотного діапазону перетворюваних ве­личин (до 10 кГц) визначається частотою власних коливань п'єзоелектричного перетворювача, яка може досягати 100 кГц.

П'єзоелектричний перетворювач має малу потужність вихідного сигналу, тому вхідний опір вимірювального кола, на який навантажено перетворювач, має бути досить вели­ким (10⁹—10^і0 Ом).

Похибки п'єзоелектричних перетворювачів досягають З—4% і залежать від якості ізоляції перетворювача, вхід­ного опору зовнішнього кола, частоти досліджуваного про­цесу, температури навколишнього середовища.