- •1. Основные понятия и определения
- •2. Планирование и организация измерений
- •3. Методы уменьшения погрешностей измерений
- •3.1. Методы уменьшения случайных погрешностей
- •3.2. Методы уменьшения систематических погрешностей
- •3.2.1. Уменьшение постоянных систематических погрешностей
- •3.2.2. Уменьшение переменных систематических погрешностей
- •4. Электромеханические приборы прямого преобразования
- •4.1. Структурная схема и уравнение преобразования
- •4.2. Основные характеристики электромеханических приборов.
- •4.3. Магнитоэлектрические приборы
- •4.3.1. Устройство и принцип действия магнитоэлектрического им
- •4.3.2. Области применения, достоинства и недостатки
- •4.3.3. Погрешности магнитоэлектрических приборов
- •4.4. Электромагнитные приборы
- •4.4.1. Устройство и принцип действия электромагнитного им
- •4.4.2. Области применения, достоинства и недостатки
- •4.4.3. Погрешности электромагнитных приборов
- •4.5. Электродинамические приборы
- •4.5.1. Устройство и принцип действия электродинамического им
- •4.5.2. Области применения, достоинства и недостатки
- •4.5.3. Погрешности электродинамических приборов
- •4.6. Ферродинамические приборы
- •4.6.1. Устройство и принцип действия ферродинамического им
- •4.6.2. Области применения, достоинства и недостатки
- •4.6.3. Погрешности ферродинамических приборов
- •4.7. Электростатические приборы
- •4.7.1. Устройство и принцип действия электростатического им
- •4.7.2. Области применения, достоинства и недостатки
- •4.7.3. Погрешности электростатических приборов
- •4.8. Индукционные им и приборы на их основе
- •4.8.1. Устройство, принцип действия и области применения
- •4.8.2. Погрешности индукционных приборов
- •5. Измерительные преобразователи (ип) неэлектрических величин
- •5.1. Общие сведения и характеристики ип
- •5.2. Классификация измерительных преобразователей
- •5.3. Резистивные измерительные преобразователи
- •5.3.1. Общие вопросы построения рип
- •5.3.2. Основные характеристики рип:
- •5.3.3. Реостатные преобразователи
- •5.3.4. Тензорезистивные ип
- •5.3.5. Теплорезистивные ип
- •5.3.7. Измерительные цепи резистивных ип
- •6. Термоэлектрические ип
- •6.2. Области применения и материалы термоэлектрических ип
- •6.3. Характеристики термоэлектрических преобразователей
- •6.4. Конструкции термоэлектрических ип
- •6.5. Измерительные цепи термоэлектрических ип
- •7. Емкостные ип (еип)
- •7.1. Принцип действия, конструкции, характеристики еип
- •7.2. Области применения, достоинства и недостатки еип
- •7.3. Погрешности еип
- •7.4. Измерительные цепи еип
- •8. Электромагнитные ип.
- •8.1. Индуктивные ип
- •8.1.1. Принцип действия, конструкции, достоинства и недостатки
- •8.1.2. Основные характеристики и области применения
- •8.1.3. Погрешности индуктивных ип
- •8.1.4. Измерительные цепи индуктивных ип
- •8.2. Трансформаторные ип
- •8.2.1. Принцип действия, конструкции, достоинства и недостатки
- •8.2.2. Погрешности трансформаторных ип
- •8.3. Магнитоупругие ип
- •8.3.1. Принцип действия, конструкции магнитоупругих ип
- •8.3.2. Характеристики и области применения
- •8.3.3. Погрешности магнитоупругих ип
- •8.3.4. Измерительные цепи
- •9. Пьезоэлектрические ип
- •9.1. Принцип действия и материалы пьезоэлектрических ип
- •9.2. Характеристики и применение пьезоэлектрических ип
- •9.3. Погрешности пьезоэлектрических ип
- •9.4. Измерительные цепи пьезоэлектрических ип
9.2. Характеристики и применение пьезоэлектрических ип
В общем случае пьезоэлектрический преобразователь представляет собой пластинку из пьезоэлектрического материала, на противоположных гранях которой имеются два электрода. На рис. 9.2 а схематично показано устройство преобразователя давления и его электрическая эквивалентная схема (рис. 9.2 б) [14 ].
а) б)
Рис. 9.2
Преобразователь состоит из двух пьезоэлектрических пластин 1, соединенных параллельно. Заряд q, возникающий на гранях пластин 1, пропорционален приложенной силе F. Сигнал с пластин снимается при помощи электродов 2, выполненных из фольги. Пластины помещаются в корпус 3. На эквивалентной схеме СО - это электрическая емкость преобразователя (емкость между гранями пьезоэлектрика), RО – сопротивление преобразователя (сопротивление утечки).
Выходной величиной преобразователя является напряжение. Функция преобразования преобразователя (рис. 9.2 а) имеет вид
UВЫХ = dF/C = dF/(QO) = dP/(2O ), (9.2)
где d - пьезомодуль; - расстояние межу электродами; Q - площадь электродов; - относительная диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрика; Р - давление.
При измерении статических величин (сил, давлений и т. п.) на выходе пьезоэлектрического ИП появляется постоянное напряжение, которое из-за утечки заряда через конечное объемное сопротивление и по поверхности ИП быстро падает. Заряд, возникающий на гранях преобразователя, будет сохраняться только в том случае, если нет токов утечки. При действии переменной величины заряд постоянно восполняется. Поэтому пьезоэлектрические ИП применяются для измерения динамических величин.
Так как пьезоэлектрический преобразователь характеризуется большим
внутренним сопротивлением и малой выходной мощностью, поэтому на выход преобразователя необходимо включать усилитель с возможно большим коэффициентом усиления. Учитывая, что пьезоэлектрические преобразователи обычно включаются в измерительную цепь с помощью кабеля, эквивалентная схема преобразователя может быть представлена в ,виде, показанном на рис. 9.3 а.
На рисунке СК и RК – емкость и сопротивление утечки кабеля; СВХ и RВХ – входная емкость и входное сопротивление измерительной цепи.
Упрощенная эквивалентная схема показана на рис 9.3 б, где CЭ – эквивалентная емкость CЭ = CО + CК + CВХ; RЭ – эквивалентное сопротивление RЭ = RО RК RВХ /(RО RК + RО RВХ + RК RВХ).
а) б)
Рис. 9.3
При воздействии на преобразователь синусоидальной силы fX мгновенное значение тока, протекающего в измерительной цепи, находится как
i = iC + iR = dq/dt = d (dFX/dt), (9.3)
а уравнение преобразования пьезоэлектрического ИП имеет вид
d (dFX/dt) = UВЫХ /RЭ + CЭ (dUВЫХ/dt). (9.4)
Выразив формулу 9.4 в операторной форме, получим
UВЫХ(1 + RЭCЭ Р ) = d.RЭ Р.fX. (9.5)
Откуда выражение для операторной чувствительности будет иметь вид
UВЫХ/FX = d RЭ Р/(1 + RЭ CЭ Р) = (d/CЭ ).Р/(1 + Р), (9.6)
где = RЭ CЭ – постоянная времени цепи.
При синусоидальной силе FX = FM sin t из (9.5) получим выражение для комплексной чувствительности
S(j) = d [jRЭ/(1 + jRЭ CЭ)]. (9.7)
Из 9.7 находим амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики преобразователя, включенного в измерительную цепь
S(j) = d /[CЭ (1 + )2]; = /2 + arc tg(RЭ CЭ). (9.8)
Из формулы 9.8 видно, что чувстительность преобразователя не будет зависеть от частоты при ()2 1. При = 0 чувствительность преобразователя равна нулю, то есть невозможно применение пьезоэлектрических ИП для измерения статических усилий.
При >>1 максимальное выходное напряжение зависит от емкости CЭ: UВЫХ.М = d.FМ/CЭ. Поэтому если в характеристике ИП указывается его чувствительность по напряжению, то обязательно должна быть указана и емкость для этой чувствительности [10]. Иногда указывается чувствительность по заряду Sq = q/F и собственная емкость ИП С0 или напряжение холостого хода Uxx = d11 F/ C0, а также собственная емкость ИП. Зная суммарную емкость С, можно рассчитать UВЫХ.
Для расширения частотного диапазона в сторону низких частот, при сохранении чувствительности преобразователя неизменной, следует увеличить = RЭCЭ. Увеличение можно достичь включением параллельного дополнительного конденсатора, но это приводит к уменьшению чувствительности. Увеличение сопротивления RЭ приводит к расширению частотного диапазона без уменьшения чувствительности. Увеличение RЭ достигается улучшения качества изоляции и повышением входного сопротивления RВХ измерительной цепи. Верхняя граница частотного диапазона определяется, в основном, механическими параметрами: частотой собственных колебаний, зависящей от массы и жесткости, степени успокоения. Таким образом, полная частотная характеристика преобразователя определяется как электрическими, так и механическими параметрами. Верхняя частота рабочего диапазона пьезоэлектрических преобразователей достигает десятков килогерц.
Из выражений (9.7) и (9.8) видно, что сигнал с выхода пьезо-электрического преобразователя ослабляется из-за емкости кабеля и входного устройства (усилителя). Нижняя граничная частота fСР по уровню – 3 дБ равна fСР = 1(2RЭCЭ). Ниже этой частоты коэффициент передачи уменьшается в 2 раза (на 6 дБ) при понижении частоты на октаву. Для получения малого значения fСР и высокой чувствительности входной импеданс измерительной цепи должен быть очень большим. При использовании специальных измерительных усилителей (электромехани-ческих усилителей) можно получить входное сопротивление порядка 1014 Ом и входную емкость около 1 пФ [14].
Чувствительность пьезоэлектрического ИП может быть также увеличена за счет выполнения чувствительного элемента из нескольких параллельно соединенных пластин.
Пьезоэлектрические преобразователи применяются для измерения сил до 105 Н, давлений до 100 Н/мм2, ускорений до 2 104g в частотном диапазоне от единиц герц до 100 кГц.