Физические основы электромеханических измерительных преобразователей генераторного типа

В ряде случаев при измерениях некоторых физических величин удобнее осуществить их предварительное преобразование в сигнал неэлектрической природы. Например, принцип работы некоторых типов датчиков, предназначенных для измерения усилий, давлений, температуры и многих других физических величин, может быть основан на предварительном их преобразовании в микроперемещение чувствительного элемента. Затем уже посредством других физических эффектов микроперемещение преобразуются в изменение параметров электрической измерительной цепи. Существует достаточно большое разнообразие физических эффектов, с помощью которых может быть осуществлено такое предварительное преобразование различных физических величин в сигнал неэлектрической природы.

Реализация в датчиках эффектов и явлений, обеспечивающих преобразование измеряемых физических величин в ток или напряжение, позволяет избавиться от необходимости использования дополнительных источников электрической энергии. Такие измерительные преобразователи относятся к генераторному типу. При реализации измерительного процесса стремятся обеспечить минимальное воздействие на объект измерения. Чаще всего, генерируемая первичными преобразователями полезная мощность сигнала не велика, поэтому требуется дополнительное усиление измерительного сигнала. Приходится также принимать дополнительные меры по снижению влияния различных дестабилизирующих факторов.

В связи с этим оптимальный выбор реализуемых первичными преобразователями физических эффектов является важной задачей как на стадии их разработки и изготовления, так и при проектировании и эксплуатации измерительных приборов и систем, основанных на их применении.

К настоящему времени известно большое количество физических эффектов, обеспечивающих генерацию электрических сигналов. К числу наиболее широко применяемых в измерительной технике физических явлений, реализующих преобразование механической энергии измеряемого воздействия в электрическое напряжение, можно отнести следующие эффекты.

Эффект Толмена. Суть данного эффекта заключается в том, что проводник, движущийся с ускорением, генерирует ЭДС за счёт инерции электронов. В результате смещения электронов в веществе появляется разность потенциалов по длине проводника в направлении его движения. В цепи из различных материалов появится составляющая разности потенциалов, обусловленная различием концентрации электронов в контактирующих проводниках.

Ионное проскальзывание в газе и жидкости приводит к появлению разности потенциалов в осевом направлении движения плазмы, раствора, так как электроны имеют меньшую массу по сравнению с ионами, поэтому движутся быстрее. В такой цепи (получается колебательный контур) если появляется электрический ток (движутся заряды), то на определенных частотах может возникнуть осцилляции.

Механоэлектрический эффект обусловливает образование электронно-дырочных пар в результате разрыва связей при механической деформации кристаллических структур твёрдых тел.

Акустоэлектрический эффект приводит к возникновению постоянного тока в проводящей среде под действием бегущей ультразвуковой волны. В результате взаимодействия ультразвука с электрической проводимостью фононы гиперзвуковой волны передают электронам импульс ( ) в результате чего возникает электрический ток. Направление тока зависит от направления распространения излучения. При этом ЭДС может достигать нескольких вольт на сантиметр длины проводника при интенсивности излучения в несколько ватт на квадратный сантиметр. Величина тока зависит также от состава материала, температуры, величины механических напряжений в стержне и других факторов. Зависимость величины ЭДС от интенсивности излучения нелинейная.

Трибоэлектричество связано с генерацией при трении материалов  свободных электронов, в результате того, что выделяемое тепло приводит к разрыву связей электронов с атомами. При этом электроны переходят в вещество с меньшей их концентрацией.

Установлены следующие особенности данного эффекта:

· при трении диэлектриков положительно заряжается материал с большей диэлектрической проницаемостью (слабее удерживаются электроны);

· металл при трении с диэлектриком заряжается положительно, а диэлектрик – отрицательно;

· мелкие частицы, появляющиеся при дроблении, просеивании, трении, заряжаются отрицательно (выше плотность зарядов, так больше кривизна поверхности);

· одинаковые химические вещества заряжаются при трении неодинаково в зависимости от плотности вещества (более плотное вещество заряжается отрицательно, а менее плотное – положительно).

Существует трибоэлектрический ряд (Фарадея) материалов (предыдущий заряжается положительно по отношению к последующему).

Например: хрусталь; ткань; дерево; металлы и другие материалы.

К числу наиболее широко применяемых в различных областях техники физических явлений относится пьезоэффект.

Пьезоэлектричество

В 1880-1881 г. братья Кюри открыли и исследовали прямой и обратный пьезоэффект (обратный эффект предсказал Липпман). Кулон предполагал о наличии связи между электрическим зарядом и механической деформацией кристаллов. В течение почти 30 не могли дать теоретического объяснения данного эффекта, и долгое время считали его научным курьезом.

В 1890 году Фёдоров установил основные законы кристаллографии, связывающие структуру веществ с их свойствами (теоретически рассчитал все возможные типы кристаллических решеток, ячейки которых обеспечивают минимум потенциальной энергии связи атомов в кристаллах: 7 видов правильных геометрических фигур, 32 класса симметрии, 230 типов кристаллических решёток). Согласно этой теории кристаллы могут быть не центросимметричными, что лежит в основе механизма поляризации в результате их деформации.

В разное время проводили теоретические и экспериментальные исследование пьезоэлектричества кварца известные ученые: Беккерель, Иоффе, Курчатов и др. В связи с развитием радиотехники пьезокварцевые резонаторы нашли практическое применение для стабилизации частоты и фильтрации электрических сигналов (1918 г.). Поль Ланжевен использовал пьезоэлементы для эхолокации. В 1940–х годах Шубников теоретически обосновал возможность создания искусственных пьезоэлементов. К настоящему времени разработаны различные типы пьезокерамических материалов, которые находят широкое применение в измерительной технике.

Пьезоэлектрическими называются кристаллы и текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект). Особенностью пьезоэффекта является знакочувствительность, т. е. изменение знака заряда при замене сжатия рас­тяжением и изменение знака деформации при изменении направле­ния поля.

Физическую природу пьезоэффекта рассмотрим на примере наиболее известного пьезоэлектрического кристалла — кварца. На рис. (2.2, а) показана форма элементарной ячейки кристаллической структуры кварца. Ячейка в целом электрически нейтральна, однако в ней можно выделить три направления, проходящие через центр и соединяющие два разнополярных иона. Эти полярные направления называются электрическими осями или осями X, и по ним направлены векторы поляризации Р1, Р2 и Р3. Если к крис­таллу кварца вдоль оси приложена сила Fх, равномерно распреде­ленная по грани, перпендикулярной оси X, то в результате дефор­мации элементарной ячейки ее электрическая нейтральность нару­шается. При этом, как показано на рис. (2.2, б), в деформированном состоянии сумма проекций векторов Р2 и Р3 на ось X становится меньше (при сжатии) или больше (при растяжении) вектора Рт. В результате появляется равнодействующая вектора поляризации, ей соответствуют поляризационные заряды на гранях, знаки кото­рых для сжатия показаны на рис. (2.2б). Нетрудно видеть, что дефор­мация ячейку не влияет на электрическое состояние вдоль оси Y. Здесь сумма проекций векторов равна нулю. Обра­зование поляризационных зарядов на гранях, перпендикулярных оси X, при действии силы по оси X называется продольным пьезоэффектом.

При механических напряжениях, приложенных вдоль одной из осей Y (их называют механическими осями), геометрическая сумма проекций векторов Р2 и Р3 на ось Y равна нулю, и на гранях пьезоэлемента, перпендикулярных оси Y, поляризационные заряды не образуются. Однако сумма проекций векторов Р3 и Р2 на ось X оказывается не равной вектору Р1. Так, при сжатии пьезоэлемента, как показано на рис. (2.2, в), указанная сумма превышает Р1 в ре­зультате на нижней грани образуются положительные заряды, а на верхней — отрицательные. Рассмотренный эффект образования заря­дов на гранях, перпендикулярных нагружаемым граням, называется поперечным.

Рисунок 2.2

 

При равномерном нагружении со всех сторон (например, гидростатическое сжатие или тепловые напряжения и деформации) кристалл кварца остается электрически нейтральным, так же как и при нагружении по оси Z, перпендикулярной осям X и Y и назы­ваемой оптической осью кристалла.

Наличие полярных направлений объясняет важность опреде­ленной ориентации граней пьезоэлемента относительно кристалло-физических осей кристалла X, Y и Z. Для преобразователей, исполь­зующих продольный пьезоэффект, максимальную чувствительность имеет пьезоэлемент, ориентированный относительно кристаллофизических осей так, как показано на рис. (2.2, а) (положение 1 и 3) и называемый Х-срезом.

При изменении ориентации всего на 30° (положение 2 на рис. 2.2,а) чувствительность уменьшается до нуля, а срез такого вида называется Y-срезом. Реальный пьезоэлемент может быть вырезан так, что его ребра не совпадут с кристаллофизическими осями, как это и показано на рис. 2.3. При угле φ=3° чувствительность умень­шается на 1,2%, при угле β=3° — на 0,6%.

 

Рисунок 2.3

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться: