Б) Пьезоэлектрические датчики

ГЕНЕРАТОРНЫЕ ДАТЧИКИ

К генераторным датчикам относятся термоэлектричес­кие, пьезоэлектрические и тахометрические датчики.

А) Термоэлектрические датчики

К числу термоэлектрических датчиков генераторного типа можно отнести термопары, в которых изменение температуры преобразуется в термоэлектродвижущую си­лу (термо-ЭДС) Е.

Рис. 2-16. Термопары.

а — термоэлектрическая цепь; в — ха­рактеристики термопар; в — схема включения термопары: г — последова­тельное включение термопар.

В основу работы термо­пары положено явле­ние термоэлектриче­ского эффекта, откры­того в 1756 г. русским академиком Ф. У. Эпинусом. Это явление за­ключается в том, что если соединить концы двух разнородных по материалу проводни­ков/и 2 (рис. 2-16,0) и места соединений по­местить в среды с раз­личными температура­ми t\ и t₂, то в цепи термопары появляется термо-ЭДС, которая будет тем больше, чем больше разность тем­ператур концов термо­пары t₁—t₂.

Конец термопары, имеющий температуру г,, называ­ется рабочим концом (горячим спаем), а конец термо­пары, находящийся при постоянной температуре h, на­зывается свободным концом (холодным спаем).

Проводники / и 2, с помощью которых образуется термопара, называются термоэлектродами. Термоэлектроды обычно изготовляются из чистых металлов (пла­тина, золото, никель, медь, железо, вольфрам, молиб­ден), сплавов (константам, нихром, платинородий, чу­гун, алюмель, копель, хромель) и полупроводниковых материалов (уголь, карборунд).

При точном определении температуры по величине термо-ЭДС необходимо пользоваться стандартными градуровочными таблицами. В табл. 2-1 приведены ха­рактеристики некоторых термопар при температуре сво­бодных концов 0°С.

Таблица 2-1

Примечание. В наименовании термопар первым указан положительный термоэлектрод.

К недостаткам металлических термопар можно от­нести:

наличие паразитных термо-ЭДС (за счет примесей в металлах);

тепловую инерционность (постоянная времени термо­пар колеблется от нескольких минут до десятых долей секунды).

В настоящее время промышленностью выпускаются термопары, изготовленные из полупроводникового мате­риала, которые имеют термо-ЭДС, равную 1 мВ/°С, т. е. в десятки раз большую, чем металлические термо­пары.

Основными недостатками полупроводниковых тер­мопар являются: сравнительно небольшой диапазон из­мерения температур (от+200 до +400°С); малая проч­ность.

б) Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические датчики основаны на использовании пьезоэлектрического эффекта.

Прямой пьезоэффект заключается в том, что некото­рые материалы имеют способность образовывать на гранях своих поверхностей при воздействии на них ме­ханических нагрузок электрические заряды.

Рис. 2-17. Пьезоэлектрический датчик.

а — вырез пластины из монокристалла кварца; б — схема многоэлементного датчика.

пропорциональность между значениями возникающего за­ряда Q и приложенной силы F:

Qr=KoF. (2-I3)

К важнейшим природным материалам, которые об­ладают пьезоэлектрическим эффектом, можно отнести кварц и турмалин. В качестве материала для датчиков чаще применяется кварц, так как он имеет высокие пьезоэлектрические и изоляционные свойства, малую температурную зависимость и очень высокое сопротивле­ние.

Пьезоэлектрические датчики конструктивно, как правило, представляют собой набор нескольких шайб, дисков или пластин, которые механически соединяются последовательно, а электрически — параллельно (рис. 2-17,6). Суммарный заряд в этом случае определяется по формуле:

Q_s = пQ, (2-16)

где n — число шайб, дисков или пластин:

Q — заряд, возникающий на одной шайбе, пласти­не или на одном диске. При использовании пьезоэлектрических датчиков обычно измеряют не заряд, а напряжение на емкости, об­разуемой обкладками шайбы, диска или пластины. Это напряжение находится по формуле:

U=Q/(Cм+Co*n)

Чувствительность:

Sд=nKo/(Cм+Со*n) (2 – 17)

где Соn — собственная емкость пьезоэлектрического датчика.

См – емкость монажа;

Ко – пьезоэлектрический модуль материала пластины.

n – количество пластин.

Емкость одной пластины датчика толщиной d и площадью s можно определить как емкость плоскопараллельного конденсатора:

Со=εε_os/d

Где ε_o = 8,85*10¯¹² абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; Емкость пьезоэлемента С на практике бывает невелика и выражается в пикофарадах (1пФ = 10¯¹² Ф). Выходной сигнал пьезодатчика U=SдF, где F – измеряемая сила.

Основным достоинством всех пьезоэлектрических датчиков является их безынерционность, а основным недостатком — малая выходная мощность. Поэтому для усиления выходной мощности пьезоэлектрических дат­чиков применяются усилители. Так как эти датчики имеют большое выходное (внутреннее) сопротивление, поэтому они включаются на вход усилителей, имеющих входное сопротивление около 10⁸ —10'* Ом. Пьезоэлек­трический датчик и усилитель соединяются между со­бой с помощью экранированного кабеля. Пьезоэлектри­ческие датчики очень часто применяются для измерения быстропротекающих процессов. Эти датчики могут, на­пример, измерять давление газов в двигателях внутрен­него сгорания и в стволах артиллерийских орудий, а так­же регистрировать удары метеорных частиц с массами в 10-» г при средней скорости 40 км/ч на искусственных спутниках земли.

Поиск по сайту: