В. А. Никитин с. В. Бойко

Генераторные преобразователи неэлектрических величин

Как отмечалось выше, в генераторных преобразователях выходной величиной являются ЭДС, ток или заряд, функционально связанные с измеряемой неэлектрической величиной.

Пьезоэлектрические преобразователи основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварца, сегнетовой соли и др.) под влиянием механических напряжений. Это преобразователи генераторного типа, однако, их выходная мощность мала, поэтому к выходу преобразователя должен быть подключен измерительный усилитель с возможно большим входным сопротивлением (10¹¹ Ом и более).
В пьезоэлектрических преобразователях применяют главным образом кварц, который обладает высокой механической прочностью и очень слабой зависимостью параметров от температуры.
На рисунке 16.11 схематически изображено устройство пьезоэлектрического преобразователя давления.
Измеряемое давление Р действует на мембрану 7, представляющую собой дно корпуса преобразователя. Кварцевые пластины 2 соединены параллельно. Наружные обкладки кварцевых пластин заземляются, а средняя обкладка (латунная фольга 3) изолируется относительно корпуса самим кварцем, имеющим очень высокое удельное сопротивление. Сигнал с кварцевых пластин снимается экранированным кабелем 5. Для удобства соединения вывода от фольги с внутренней жилой кабеля в корпусе преобразователя предусмотрено отверстие, закрываемое пробкой 4.
Электрический заряд Q, возникающий на кварцевых пластинах, пропорционален давлению Р, т. е. справедливо равенство (16.7)


Q = kF = kPS, (16.7)
где k - пьезоэлектрический коэффициент;
F - сила, воздействующая на пьезоэлектрик;
S- площадь мембраны.
Эквивалентная схема преобразователя, соединенного кабелем измерительной цепью, представлена на рисунке 16.12, на котором С₀ - емкость между гранями пьезоэлектрика (емкость преобразователя); C_вх - емкость кабеля и входная емкость измерительной цепи; R₀ - сопротивление преобразователя с учетом сопротивления изоляции линии относительно земли; R_вх - входное сопротивление измерительной цепи.

Рисунок 16.11 - Пьезоэлектрический Рисунок 16.12 - Эквивалентная преобразователь схема пьезоэлектрического

преобразователя

При синусоидальной воздействующей силе F=F_msin t получим равенство (16.8)

U_вых = k Fj R / (1 + j RC), (16.8)
где R=R₀ּR_вх/(R₀+R_вх);
С=С_о+C_вх.
Как видно из (16.8), амплитуда выходного напряжения и сдвиг фаз между этим напряжением и измеряемой силой зависят от частоты. Зависимость показана в (16.9)

^Uвыхm
  
 kF_ьR /
2  arctgCR


, (16.9)

Амплитудно-частотная S ( / ₀) и фазочастотная ( / ₀) характеристики преобразователя, включенного в измерительную цепь, представлены на рисунке 16.13. Анализ частотных характеристик показывает, что пьезоэлектрические преобразователи могут быть использованы только для измерений быстро изменяющихся величин (переменных усилий, давлений, параметров вибраций, ускорений и т. д.). Индукционные преобразователи основаны на использовании закона электромагнитной индукции, согласно

которому ЭДС, индуцированная в катушке, имеющей витков, вычисляется согласно (16.10)