evtiheeva_n_n__izmerenie_yelektricheskih _i_neyelektricheskih (1024281), страница 29

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 29)

Другой схемой включения дифференциальных емкостных преобразователей является емкостно-диодная цепь (рис. 4.19, а). Дифференциальный преобразователь С, и Сэ подключается к источнику переменного напряжения через диоды УР~ — УР4 и конденсаторы Сэ — Се. При положительной полярности напряжения Гр конденсатор С, заряжается через Сз и УР„а при отрицательной разряжается через С~ и УРз, Конденсаторы Сэ и Сэ имеют равные емкости, а диоды УР, и УРз — равные прямые сопротивления. При этом„если питающее напря- 139 аъ иг Рис. 4.18 Виг Вьж Рис.

4.19 жение синусоидально, то же синусонцальное напряжение будет и на конденсаторе С, (в точке с), причем значение этого напряжения определяется значением С,. Аналогичным образом напряжение на конденсаторе Сз (в точке |г) изменяется синусоидально и его значение зависит от емкости Сг.

Если все диоды имеют одинаковые прямые сопротивления, то при С| = Сг напряжения на этих конденсаторах одинаковы и напряжение между точками с и |1 отсутствует. Если же С, Ф Сг, то между точками с и |1 появится переменное напряжение, пропорциональное разности С| — Сг. Это напряжение выпрямляется в течение одной половины периода диодами И|, и И|В, а в течение второй — диодами И|г и И|4.

Выходное напряжение снимается с диодов УРВ и И|4. Его изменение во времени показано на рис. 4.19, б. Среднее выпрямленное значение напряжения Цых определяется разностью С| — Сг и приближенно равно бг,„„= ги <С, — С,)(<С, + С, + гС,С,~С,). 14.79) Для того чтобы упростить экранирование, вся емкостно-диодная схема помещается в экранированный корпус датчика. 140 Погрешность емкостного преобразователя.

Электроды емкостного преобразователя монгируются на изоляционных деталях или разделяются ими. Разнородные конструктивные детали датчика имеют различные коэффициентылинейного расширения. При изменении температуры это приводит к изменению расстояния между электродами. Хотя это изменение мало, оно может быль соизмеримо с расстоянием между электродами и приводит к температурной погрешности, имеющей адднтивную и мультипликатнвную составляющие.

Первая может быль уменьшена применением дифференциальных преобразователей. Номинальная емкость емкостных преобразователей обычно лежит в пределах от единиц до сотен пикофарцц. На частоте 50 Гц внутреннее сопротивление преобразователя достигает значений более 10 Ом, При столь высоком сопротивлении возможны погрешности, обусловленные паразитными токами утечки, причем на резулыат измерения влияет непостоянство сопротивления изоляции. Для уменьшения сопротивления преобразователя частота напряжения питания увеличивается до нескольких килогерц и вьпле, вплоть до нескольких мегагерц.

Поскольку полная емкость преобразователя изменяется в присутствии посторонних металлических предметов, преобразователь, а также идущие к нему провода и элементы измерительной цепи необходиью экранировать. Однако емкость экрана может изменяться под влиянем изменения влажности воздуха, вибрации и по другим причинам. Экранированные провода могут изменять свою емкость при их изгибах„ когда токоведуший провод меняет свое положение относительно экрана.

Эти изменения приводят к погрешности. Особенности применения емкостных преобразоипелей. Емкостные преобразователи имеют ряд специфических достоинств и недостатков, определяюших область их применения. Конструкция емкостного датчика проста, он имеет ьалые массу и размеры.

Его подвижные электроды могут быть достаточно жесткими, с высокой собственной частотой, что дает возможность измерять быстропеременные величины. Емкостнью преобразователи можно выполнять с заданной (линейной или нелинейной) функцией преобразования. Для получении требуемой функции преобразования часто достаточно изменить форму электродов. Отличительной особенностью является малая сила притяжения электродов. Основным недостатком емкостных преобразователей является малая их емкость и высокое сопротивление. Для уменьшения последнего преобразователи питаются напряжением высокой частоты. Однако это обусловливает другой недостаток — сложность вторичных преобразователей.

Недостатком является и то, что результат измерения зависит от изменения параметров кабеля. Для уменьшения погрешности измерительную цепь и вторичный прибор располагают вблизи датчика. 141 Емкостные преобразователи широко применяются в научно-иссле. довательской работе, где имеется высококвалифицированный пер. сонал для разработки, эксплуатации н ремонта датчиков и вторичных приборов. В условиях научного эксперимента ценным свойством датчиков является простота их конструкции и технологии. 4.2.4. Пьезоэлектрические преобразователи Примой пмэоэлектрический эффект. В кристаллических диэлектриках различно заряженные ионы располагаются в определенном порядке„образуя кристаллическую решетку.

Поскольку разно- именно эаряжвнные ионы чередуются и расположены так, что их зарады взаимно компенсируются, в целом кристалл электрически нейтрален. Одной из особенностей кристаллов является их симметрия. Кристаллы могут быть симметричны относительно некоторой оси, плоскости или центра. В соответствии с видом симметрии по определенным законам построена кристаллическая решетка и расположены ионы. Электрическая структура кристалла, симметричного относительно оси илн плоскости, схематически показана на рис. 4.20.

В направлении оси Х ноны различных знаков чередуются и взаимно компенсируют свои вараны. При действии на кристалл силы г'„в направлении Х кристаллическая решетка деформируется, расстояния между псловэпельными и отрицательными ионами иэменяютсн и кристалл электризуется в этом направлении. На его гранях, перпендикулярных оси Х, появляется заряд (4.80) пропорциональный силе гх.

Коэффициент д~ „зависящий от вещества и его состояния, называется пьезоэлектрическим модулем. Индексы при коэффициенте д определяются ориентацией силы и грани, на которой появляется заряд, относительно кристаллических осей. Прн изменении ориентации пьезоэлектрический модуль изменяется. Электризация кристалла под действием внешних сил называется прямым пьезоэффектом. Вещества, облапаю~цие пьезоэффектом, называются пьеэоэлектрикамц Для изотовления измерительных преобразователей наибольшее применение нашли естественные кристаллы квар.

ца и искусственные пьезоэлектрические материалы — пьезокерамики, Кварц (Я(Ь). Призматическая часть кристалла кварца и расположение кристаллических осей показаны на рис. 4.21. Ось Х вЂ” электрическая, ось г' — механическая, ось У вЂ” оптическая. Для использовании в измерительных преобразователях иэ кристалла вырезается пластинка. При действии на пластинку сил вдоль осей Хили г' происходит поляризация кристалла. На гранях, перпендикулярных оси Х, появляются заряды (4.81) 4 = г1~~Р или 4 = г(~з ®„~0 )~' где гх и 㻠— соответствующие силы„Я„и 0 — плоШади граней, пер. 142 пендикулярных осям Х н У; дш = Аз = 2,31 ° 10 К/Н вЂ” пьезоэлектрические модули. Возникновение заряда под действием силы Е„называется продольным пьезоэффектом, возникновение заряда под действием Є— поперечным пьезоэффектом, Действие силы г'г вдоль оси Е не вызывает никаких электрических зарядов.

Кварцевая пластинка имеет высокую прочность. Допустимые напря. жения могут доходить до (0,7 — 1) ° 10а Н/мз, по позволяет прикладьь вать к ней большие измеряемые сины. Она имеет большой модуль упругости, что обусловливает ее высокую жесткость и очень малое соб. ственное внутреннее трение. Последнее обстоятельство обусловливает высокую добротность изготовленных из кварца пластинок. Кварцевые пластинки используются для изготовления преобразователей, измеряющих давление и силу, Кварц — материал с высокой твердостью, он трудно обрабатывается и может применяться для изготовления пластинок лишь простой формы. Пьезоэлектрический модуль И практически постоянен до температуры 200 С, а затем с увеличением температуры немного уменьшается. Предельная рабочая температура составляет 500 'С. При температуре 573 'С (температура Кюри) кварц теряет пьезоэлектрические свойства.

Относительная диэлектрическая проницаемость равна 4,5 и несколько увеличивается с увеличением температуры. Удельное объемное сопротивление кварца превышает 10'з Ом. Электрические и механические свойства кварца имеют высокую стабилъность. За 10 лет изменение характеристик не превосходит 0 05% Пьезоэлектрическая керамика.

Пьеэокерамика имеет доменное строение, причем домены поляризованы. При отсутствии внешнего электрического поля поляризация отдельных доменов имеет хаотическое направление и на поверхности изготовленного из пьезокерамики тела электрический заряд отсутствует. В электрическом поле домены ориентируются в направлении этого поля, вещество поляризуется и на поверхности тела появляются заряцы. При снятии поля домены сохраняют свою ориентацию, вещество остается поляризованным, но по. верхностный заряд с течением времени стекает.

Характеристики

Список файлов книги