Главная » Просмотр файлов » книга в верде после распозна

книга в верде после распозна (1024283), страница 24

Файл №1024283 книга в верде после распозна (Евтихеева Н.Н. - Измерение электрических и неэлектрических) 24 страницакнига в верде после распозна (1024283) страница 242017-07-12СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 24)

Поскольку полная емкость преобразователя изменяется в присут­ствии посторонних металлических предметов, преобразователь, а так­же идущие к нему провода и элементы измерительной цепи необхо­димо 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 токоведущий провод меняет свое положение относительно экрана. Эти изменения приводят к погрешности

Особенности применения емкостных преобразователей. Емкостные преобразователи имеют ряд специфических достоинств и недостатков, определяющих область их применения. Конструкция емкостного дат­чика проста, он имеет малые массу и размеры. Его подвижные элек­троды могут быть достаточно жесткими, с высокой собственной час­тотой, что дает возможность измерять быстропеременные величины. Емкостные преобразователи можно выполнять с заданной (линейной или нелинейной) функцией преобразования. Для получения 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 уменынени погрешности измерительную цепь и вторичный прибор располагают вблизи датчика

0

Емкостные преобразователи широко применяются в научно-иссле­довательской работе, где имеется высококвалифицированный пер­сонал для разработки, эксплуатации и ремонта датчиков и вторичных приборов. В условиях научного эксперимента ценным свойством дат­чиков является простота их конструкции и технологии.

4.2.4. Пьезоэлектрические преобразователи

Прямой пьезоэлектрический эффект. В кристаллических диэлектриках различно заряженные ионы располагаются в определен­ном порядке, образуя кристаллическую решетку. Поскольку разно­именно заряженные ионы чередуются и расположены так, что их заряды 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 или плос­кости, схематически показана на рис. 4.20. В направлен™ оси X ионы различных знаков чередуются и взаимно компенсируют свои заряды. При действии на кристалл силы Fx в направлении X кристаллическая решетка деформируется, расстояния между положительными и отрица­тельными ионами изменяются и кристалл электризуется в этом направ­лении. На его гранях, перпендикулярных оси X, появляется заряд

q = dltFx, (4.80)

пропорциональный силе Fx. Коэффициент йх х, зависящий от вещества и его состояния, называется пьезоэлектрическим модулем. Индексы при коэффициенте d определяются ориентацией силы и грани, на которой появляется заряд, относительно кристаллических осей. При изменен™ ориентации пьезоэлектрический модуль изменяется.

Электризация кристалла под действием внешних сил называется прямым пьезоэффектом. Вещества, обладающие пьезоэффектом, назы­ваются пьезоэлектриками. Для изотовления измерительных преобразо­вателей наибольшее применение нашли естественные кристаллы квар­ца и искусственные пьезоэлектрические материалы — пьезокерамики.

Кварц (S1O2). Призматическая часть кристалла кварца и расположе­ние кристаллических осей показаны на рис. 4.21. Ось X — электричес­кая, ось Y — механическая, ось Z — оптическая. Для использования в измерительных преобразователях из кристалла вырезается пластинка. При действии на пластинку сил вдоль осей Хили К происходит поляриза­ция кристалла. На гранях, перпендикулярных оси X, появляются заряды

q = dltFx или q = d12 (Qx/Qy)Fy , (4.81)

где Fx кРу — соответствующие силы; Qx и Qy — площади граней, пер­

1

X

Рис. 4.20. Рис. 4.21

пендикулярных осям X и Y; dti = di2 = 2,31 . 10"12 К/Н — пьезо­электрические модули.

Возникновение заряда под действием силы Fx называется продоль­ным пьезоэффектом, возникновение заряда под действием Fy — попе­речным пьезоэффектом. Действие силы Fz вдоль оси Z не вызывает никаких электрических зарядов.

Кварцевая пластинка имеет высокую прочность. Допустимые напря­жения могут доходить до (0,7—1) ■ 108 Н/м2, что позволяет приклады­вать к ней большие измеряемые силы. Она имеет большой модуль упру­гости, что обусловливает ее высокую жесткость и очень малое соб­ственное 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 d 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 1012 Ом.

Электрические и механические свойства кварца имеют высокую стабильность. За 10 лет изменение характеристик не превосходит 0,05%.

0

Пьезоэлектрическая керамика. Пьезокерамика 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 направлен™ этого поля, вещество поляризуется и на поверхности тела появляются заряды. При снятии поля домены сохра­няют свою ориентацию, вещество остается поляризованным, но по­верхностный заряд с течением времени стекает. Если к телу, изготов­ленному из пьезокерамики, после обработки его в электрическом поле приложить механическую нагрузку, то под ее действием домены изме­няют свою ориентацию и изменяется поляризация вещества. Изменение поляризации вызывает появление заряда на поверхности тела. Тело, изготовленное из поляризованной керамики, при воздействии механи­ческой силы электризуется так же, как и естественные пьезоэлектричес­кие монокристаллы.

Типичной пьезоэлектрической керамикой является титанат бария ВаТЮз- Его пьезоэлектрический модуль лежит в пределах d31 = = (4,35 т 8,35) Ю-11 К/Н; диэлектрическая проницаемость — в пре­делах ег =1100 -г- 1800; тангенс угла диэлектрических потерь, характе­ризующий внутреннее удельное сопротивление, — в пределах tg5 = = 0,3 -=- 3%. Зависимость возникающего заряда от приложенной силы имеет некоторую нелинейность и гистерезис. Свойства пьезокерамик зависят также от их технологии и поляризующего напряжения.

Большинство пьезокерамик обладает достаточной температурной ста­бильностью. Пьезоэлектрические свойства сохраняются вплоть до тем­пературы Кюри. Для титаната бария она равна 115 °С.

С течением времени параметры пьезокерамики самопроизвольно из­меняются. Старение обусловливается измерением ориентации доменов.

Изготовление преобразователей из пьезокерамики значительно про­ще, чем из монокристаллов. Керамические изделия делаются по тех­нологии, обычной для радиокерамических изделий (путем прессования или литья под давлением), на керамику наносятся электроды, к элект­родам привариваются выводные провода. Отличие заключается в электрической обработке. Для поляризации изделие помещается в электрическое поле напряженностью 10s — 106 В/м.

Принцип действия пьезоэлектрического преобразователя. Действие пьезоэлектрического преобразователя основано на прямом пьезоэффек-те. Обычно он представляет собой пластинкуизготовленную из пьезо­электрического материала, на которой имеются два изолированных друг от друга электрода.

В зависимости от вещества, формы преобразователя и ориентации кристаллических осей входной величиной могут быть как силы, произ­водящие деформацию сжатия—растяжения, так и силы, производящие

0

деформацию сдвига. Последний вид деформации может использоваться в преобразователях, имеющих в качестве входной величины момент силы.

Выходной величиной преобразователя является напряжение на элект­родах

Е = q/Q (4.82)

где q — пьезоэлектрический заряд; С — емкость, образованная электро­дами.

Подставляя (4.80) в (4.82), получим функцию преобразования пьезо­электрического преобразователя

Е = dF/C. (4.83)

Если преобразователь имеет форму плоской пластины, то емкость между его электродами

C = ere0Q/8, (4.84)

где е> — относительная диэлектрическая проницаемость пьезоэлектриче­ского вещества; Q — площадь электродов; б — расстояние между элект­родами.

Подставляя (4.84) в (4.83), получим функцию преобразования преоб­разователя

Е = d8F/ere0Q. (4.85)

ЭДС, возникающая на электродах преобразователя, довольно значи­тельна — единицы вольт. Однако если сила постоянна, то измерить ЭДС трудно, поскольку заряд мал и быстро стекает через входное сопротив­ление вольтметра. Если же сила переменна, то образуется перемен­ная ЭДС, измерить которую значительно проще. Если при этом период изменения силы много меньше постоянной времени, определяемой ем­костью преобразователя и сопротивлением утечки заряда, то процесс утечки не влияет на выходное напряжение преобразователя. При сину­соидальном законе изменения силы

F = Fmsinu>t (4.86)

ЭДС изменяется также синусоидально:

Е = Emsinu>t. (4.87)

Измерение переменной силы сводится к измерению переменной ЭДС или напряжения.

Схема включения. Пьезоэлектрический преобразователь является генераторным преобразователем, вырабатывающим ЭДС. Для преобра­зования ее в приборе имеется вторичный преобразователь, в качестве

0

которого может служить вольт­метр переменного тока, проградуи-рованный в единицах измеряемой величины. Поскольку вольтметр должен иметь большое входное со­противление, используются элект­ронные вольтметры.

Упрощенная эквивалентная схе­ма пьезоэлектрического преобразо­вателя, соединенного кабелем с вольтметром, представлена на рис. 4.22, а. На этой схеме С — собст­венная емкость преобразователя; Ci — суммарная емкость соединительного кабеля, входной емкости усилителя и других емкостей, шунтирующих вход усилителя; R входное сопротивление усилителя. Сопротивления утечки пьезоэлемента и сопротивление утечки кабеля могут рассматриваться на эквивалент­ной схеме как составляющие сопротивления R. Входным напряжением усилителя является падение напряжения на сопротивлении R. Если на преобразователь действует синусоидальная сила, то, используя символический метод, выражение (4.83) можно переписать в виде

Рис. 4.22.

Е = dF/C,

(4.88)

где

Ж = Fmei"t;E = Ej"t. Из схемы 4.22, а следует

Е

(4.89)

U =

= Е

\\jUC + W/jtoCOHR + I//C0C1) R + 1//С0С! JGJRC

1 + JGjR (С + Ci)

(4.90)

Выражение (4.90) представляет собой комплексную функцию преоб­разования эквивалентной схемы пьезоэлектрического преобразовате­ля, подключенного к усилителю. Из него можно определить комплекс­ную чувствительность или комплексный коэффициент передачи

*СМ = Ж = [С/ (С + С,)] 0ыг/(1 + /ыг)], (4.91)

где t = R(C+C1) — постоянная времени.

Модуль чувствительности, или просто чувствительность, схемы

S(oS) = \K(jcS)\ = [С/(С + Ct)] [ыгА/1 + (ыг)*]. (4.92)

0

Это4 выражение показывает зависимость чувствительности от часто­ты и является частной характеристикой преобразователя, подключен­ного к усилителю. График частотной характеристики показан на рис. 4.22, б. Частотная характеристика может быть представлена в виде двух сомножителей

5 (со) = 5(°°Мсо). (4.93)

Первый из них представляет собой чувствительность при очень больших частотах и не зависит от частоты, так как при со -*■ °°

5 (со) -»> С/(С + d). (4.94)

Второй сомножитель v(co) = cor/\/l + (w)2 определяет нормиро­ванную характеристику. Он показывает относительное изменение чув­ствительности при изменении частоты.

Из (4.92) видно, что 5 = 0, при со = 0, т.е. пьезоэлектрические преоб­разователи неприменимы для измерения статических напряжений.

Полученные выражения справедливы на средних и низких частотах, т.е. в тех случаях, когда внутреннее сопротивление пьезоэлемента можно заменить эквивалентной емкостью.

Пьезоэлемент обладает некоторой упругостью и массой и является колебательной системой. Резонансные свойства этой системы прояв­ляются на высоких частотах. Резонанс приводит к повышению чув­ствительности на высоких частотах. При еще большем увеличении частоты чувствительность падает.

Погрешность пьезоэлектрического преобразователя. Рабочей областью частот является область, в которой чувствительность остается постоян­ной. Сверху эта область ограничена резонансом пьезоэлемента. Снизу она определяется постоянной времени т. Для улучшения частотных свойств в области нижних частот нужно увеличивать т = R(C + Сг). Для усиления выходного напряжения пьезоэлектрического преобра­зователя применяют усилители с максимально возможным входным сопротивлением (не менее 1011 Ом). Дальнейшее увеличение постоян­ной времени может происходить при увеличении С\; для этого вход усилителя шунтируется дополнительным конденсатором. Однако вклю­чение этого конденсатора уменьшает чувствительность при больших частотах S (°°) и требует увеличения коэффициента усиления усилите­ля. В схеме, рассмотренной выше, постоянная времени т = R (С + Ct) обычно не превышает 1 с. Использование операционных усилителей с обратными связями позволяет создавать приборы, у которых постоян­ная времени достигает значений 10—100 с.

Характеристики

Тип файла
Документ
Размер
2,91 Mb
Тип материала
Высшее учебное заведение

Список файлов книги

Свежие статьи
Популярно сейчас
Как Вы думаете, сколько людей до Вас делали точно такое же задание? 99% студентов выполняют точно такие же задания, как и их предшественники год назад. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6418
Авторов
на СтудИзбе
307
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее