Измерительные преобразователи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Пьезоэлектрические преобразователи.

 

Пьезоэлектрики являются обратимыми электромеханическими преобразователями, т. е. способны преобразовывать механическую энергию в электрическую и, наоборот, электрическую энергию в механическую. Преобразователи, основанные на использовании прямого пьезоэффекта, называют преобразователями-генераторами; они имеют механический вход и электрический выход. Преобразователи, основанные на использовании обратного пьезоэффекта, называют преобразователями-двигателями; они имеют электрический вход и механические выходы. Известно множество пьезоэлектрических устройств, основанных на использовании как прямого, так и обратного эффектов. Прямой эффект используется, например, в микрофонах, звукоснимателях, датчиках механических сил, перемещений и ускорений, бытовых зажигалках для газа и др. Обратный эффект послужил основой для создания телефонов, громкоговорителей, ультразвуковых излучателей, реле, двигателей.

Известны и нашли практическое применение пьезоэлектрические преобразователи - пьезоэлектрические трансформаторы (сокращенно пьезотрансформаторы). Схематически устройство пьезотрансформатора изображено на рисунке, поясняющем, что он представляет собой пьезоэлектрический преобразователь в виде четырехполюсника, имеющего только электрические вход и выход.

 

 
Рис.3 Пьезоэлектрический трансформатор

 

Действие пьезотрансформатора основано на использовании как прямого, так и обратного пьезоэффектов. Электрическое напряжение, приложенное к входным электродам пьезотрансформатора, в результате обратного пьезоэффекта вызывает деформацию всего объёма пьезоэлектрика и на выходных электродах возникает электрическое (вторичное) напряжение как следствие прямого пьезоэффекта. В пьезотрансформаторе происходит как бы двойное преобразование энергии - электрической в механическую, а затем механической в электрическую. Как и электромагнитный трансформатор, пьезотрансформатор используют для преобразования электрического напряжения. Подбором размеров электродов и их расположения можно получать различные значения коэффициента трансформации. Пьезотрансформаторы обычно используют в резонансном режиме, при котором достигаются большие значения коэффициента трансформации (порядка нескольких сотен). Пьезотрансформаторы используют в высоковольтных источниках вторичного электропитания.

Рассмотрим в общих чертах явления, происходящие в пьезоэлектрике, для двух случаев пьезоэлектрического преобразования энергии.

Пьезоэлемент (ПЭ) - тело из пьезоэлектрика определенных размеров, геометрической формы и ориентации относительно основных кристаллографических осей (или направления поляризации в случае пьезокерамики, имеющее проводящие обкладки (электроды).

Пьезоэлемент: 
1. пластина из пьезоэлектрика; 
2. электроды из проводящего матариала, наложенные на грани пластины

 

 

 

 

Таким образом, пьезоэлемент представляет собой электрический конденсатор с твёрдым (кристаллическим или керамическим) диэлектриком. Особенностью такого конденсатора является наличие пьезоэлектрических свойств у диэлектрика, заполняющего пространство между электродами. Ниже будет показано, какое значение имеет наличие пьезоэффекта и каким образом он оказывает влияние на электрические и механические характеристики пьезоэлемента. Если пьезоэлемент используется как электромеханический преобразователь, то его ориентацию выбирают исходя из требований достижения наибольшего эффекта. Внешние силы (как механические, так и электрические), воздействующий на пьезоэлемент, могут быть как распределенными, так и сосредоточенными. Распределенные силы позволяют достичь более эффективного преобразования. Поэтому для более эффективной поляризации объема пьэзоэлектрика используют электроды,. покрывающие всю площадь граней пьезоэлемента, а для создания равномерно распределенного механического напряжения - накладки из упругого материала, хорошо прилегающие к граням пьезоэлемента и преобразующие внешние сосредоточенные силы в распределенные.

Внешняя сила вызывает деформацию пьезоэлемента, его поляризацию и возникновение на электродах противоположных электрических зарядов. Величина электрического заряда или возникающего при этом напряжения может быть измерена соответствующим измерительным прибором, присоединенным к электродам пьезоэлемента. Внешняя сила сообщает пьезоэлементу энергию в виде упругой деформации, которая может быть рассчитана, если известны величины воздействующей силы и жёсткость пьезоэлемента. Одновременно с деформацией пьезоэлемента на его электродах возникает электрическое напряжение. Следовательно, часть энергии, сообщаемой пьезоэлементу внешней силой, оказывается электрической и её величина может быть рассчитана, если известны электрическое напряжение на электродах и ёмкость пьезоэлемента.

Внешняя механическая сила, воздействующая на пьезоэлемент, сообщает последнему энергию W₀ в виде энергии упругой деформации и энергии заряда ёмкости пьезоэлемента. Если обозначить энергию упругой деформации пьезоэлемента через Wм, а электрическую энергию заряда его ёмкости через Wэ, то полная энергия W₀, сообщенная пьезоэлементу, будет равна их сумме. Как во всяком обратимом преобразователе, при этом возникает обратное действие (пьезоэлектрическая реакция), заключающееся в том, что возникшее вследствие прямого пьезоэффекта электрическое напряжение создаёт (уже в результате обратного пьезоэффекта) механические напряжения и деформации, противодействующие внешним силам. Это проявляется в увеличении жесткости пьезоэлемента. Если электрическое напряжение, возникающее вследствие пьезоэффекта, исключить, например, закоротив электроды пьезоэлемента, то обратного пьезоэлектрического действия наблюдаться не будет, следовательно, должно произойти уменьшение жесткости пьезоэлемента.

Подобные же рассуждения можно сделать и для случая обратного пьезоэффекта, т. е. воздействия на пьезоэлемент внешней электрической силы. При этом внешний источник электрической энергии сообщает пьезоэлементу энергию в виде энергии заряда ёмкости пьезоэлемента и механической энергии его упругой деформации. Здесь также имеет место обратное действие. Если воспрепятствовать деформации жестким зажатием пьезоэлемента, то можно обнаружить изменение его ёмкости. Этот факт легко наблюдается у сильных пьезоэлектриков, для слабых же, таких как кварц, изменение ёмкости невелико (около 1%). К этому выводу легко прийти, приняв во внимание термодинамические соображения. Из теории пьезоэлектричества известно, что упругие коэффициенты пьезоэлектриков зависят от электрических условий, как и их коэффициенты диэлектрических проницаемостей зависят от механических условий. Это естественно, так как пьезоэлектричество по определению предполагает наличие связи между упругими и диэлектрическими свойствами. Поэтому описание пьезоэлектрических свойств материала невозможно без привлечения упругих и диэлектрических коэффициентов с указанием граничных механических и электрических условий.

Более полно пьезоэффект характеризует энергетический коэффициент и, называемый коэффициентом электромеханической связи (ЭМС) и определяемый отношением k = Wэ / W0 = Wм / W0, где W₀ - вся приложенная к пьезоэлементу энергия, а Wэ и Wм - преобразованная (электрическая и механическая) энергия. Коэффициент ЭМС оказывается очень полезным для сравнения пьезоэлектриков, пьезоэлектрические, упругие и диэлектрические коэффициенты которых могут сущевенно различаться. Этот коэффициент различен для статического и динамического режимов преобразования, в последнем случае он зависит также от вида и моды колебания. Коэффициент ЭМС, как и пьезоэлектрические модули, зависит от направления воздействующих сил относительно кристаллографических осей кристалла. Он определяет такую существенную характеристику резонатора, как относительная ширина резонансной кривой. Чем больше коэффициент ЭМС, тем больше относительная ширина резонансной кривой. Преобразование энергии пьезоэлектрическим элементом не может быть полным, поэтому коэффициент ЭМС не бывает больше 1. Для так называемых слабых пьезоэлектриков, к которым принадлежат кварц, коэффициент ЭМС не превышает нескольких процентов, для сильных пьезоэлектриков, таких как сегнетова соль или пьезокерамика, он может достигать 50 ...90%.

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Электромагнитные преобразователи.

 

Электромагнитные преобразователи строятся на основе одного или нескольких контуров, по которым могут протекать электрические токи, находящиеся в магнитном поле, создаваемом самими этими токами или каким-либо внешним источником.

Выходной величиной для таких преобразователей могут быть индуктивность, электромагнитная сила и индуктируемая в контуре ЭДС. 
В зависимости от физических явлений, которые используются для их построения, они могут быть подразделены на следующие группы:

*    преобразователи тока и напряжения;

* электромеханические преобразователи электрического тока в электромагнитную силу;

* магнитоупругие преобразователи, использующие изменение магнитной проницаемости ферромагнитных сердечников под воздействием механических напряжений;

* индукционные преобразователи, основанные на изменении электромагнитной индукции;

* индуктивные преобразователи, применяющиеся для измерения неэлектрических величин, которые влияют на изменение положения тех или иных элементов преобразователей;

* магнитомодуляционные преобразователи, использующие нелинейные свойства магнитных цепей.

Электроизмерительные приборы двух первых групп могут строиться также по электродинамическому и магнитоэлектрическому принципу. 
Как в электродинамическом, так и в магнитоэлектрическом приборах чувствительным элементом подвижной части является рамка, состоящая из тонкого провода, способная вращаться в магнитном поле. 
В электродинамическом приборе для создания такого магнитного поля используется неподвижная катушка. В магнитоэлектрическом приборе это магнитное поле создается постоянным магнитом.

Электромагнитный измерительный механизм имеет высокую надежность и технологичен в изготовлении. В его конструкции отсутствуют токоведущие элементы в подвижной части, что исключает необходимость обеспечения надежного токоподвода к ним. Для защиты такого механизма от влияния внешних магнитных полей он помещается в экранированный корпус.

Электродинамический измерительный механизм обладает сравнительно небольшим полезным вращающим моментом, и поэтому моменты сопротивления оказывают на него существенное влияние. 
Для защиты от влияния внешних полей этот механизм также закрывают специальным экраном. Устройство такого типа характеризуется большими габаритными размерами и потребляет значительную мощность. Оно используется главным образом в лабораторных приборах переменного тока. 
Магнитоэлектрический измерительный механизм обладает более высоким полезным моментом. Он не реагирует на внешние магнитные поля. Измерительный механизм такого типа обладает высокой точностью и имеет линейную зависимость между углом поворота на выходе и измеряемым током.

В настоящее время стремятся во всех электромеханических измерительных приборах использовать один тип механизма: магнитоэлектрический с преобразованием измеряемой величины в постоянный ток. Для построения датчиков неэлектрических величин в машиностроении также используется физическое явление изменения магнитной проницаемости ферромагнитных тел под действием приложенной к ним механической нагрузки (растяжение, сжатие, изгиб, кручение). На этом основано построение магнитоупругих преобразователей.

 

 

 

4. Электростатистические емкостные преобразователи.

 

Принцип действия ЭС преобразователя.

Электростатический преобразователь (ЭС) представляет собой два или несколько тел, между которыми действует электрическое поле.

Простейший ЭС содержит два электрода площадью S , параллельно расположенных на расстоянии d в среде с диэлектрической проницаемостью e. С электрической стороны преобразователь характеризуется напряжением U между пластинами, током i = dq/dt , зарядом q = CU , где С - емкость, равная при плоскопараллельном расположении пластин C = eS/d  энергией электрического поля W_э = qU/2 = CU ²/2.

Если одна из пластин (или диэлектрик между ними) имеет возможность перемещаться, то с механической стороны преобразователь характеризуется жесткостью подвеса подвижной пластины w, перемещением ее x , скоростью перемещения v = dx/dt  , электростатической силой притяжения f_эс = dW_э/dx .

В качестве ЭС преобразователей используются также запертые p -- n - переходы: p - и n - области играют роль пластин, разделенных обедненным слоем, ширина d которого возрастает при увеличении запирающего напряжения.

Взаимосвязь механической и электрической сторон преобразователя отражается уравнениями:

dF = wx + E₀C₀ u  ;

dq = E₀C₀ x + C₀ u.

Эти уравнения даны в предположении, что u и x малы по сравнению с начальными напряжением и зазором и, следовательно, емкость C₀ и напряженность поля E₀ постоянны. Из приведенных уравнений видно, что любое воздействие с механической стороны меняет электрическое состояние преобразователя и, наоборот, изменение электрического поля приводит к изменению механических характеристик.

Таким образом, изменение емкости посредством механических воздействий можно производить путем изменения зазора d , площади S , материала диэлектрика (e), а также изменения e за счет механических деформаций диэлектрика.

Выходной величиной электростатического преобразователя может быть:

а) изменение емкости C

б) сила f_эс

в) ЭДС , генерируемая при взаимном перемещении электродов,

находящихся в электрическом поле.

Для ЭС преобразователей, в которых изменяется емкость, входными величинами могут быть механическое перемещение, изменяющее зазор или площадь, или изменение диэлектрической проницаемости e под действием изменения температуры или состава диэлектрика.

Влияние отдельных элементов схемы учитывается в зависимости от конкретных обстоятельств. Так, при работе на низкой частоте сопротивление конденсатора велико и влияние индуктивности и сопротивления ввода не сказывается. При работе на высоких частотах сопротивление конденсатора падает, и большую роль начинают играть индуктивность и сопротивление ввода, в то время как шунтирующее действие сопротивления утечки перестает сказываться. В этом случае удобнее последовательная эквивалентная схема преобразователя, где