- •А.В. Лихачев
- •Конспект лекций
- •По дисциплине
- •«Автоматика»
- •Предисловие
- •Введение Исторический путь развития автоматики
- •Раздел 1. Элементы автоматики
- •Тема 1 Основные элементы автоматики
- •1.1 Основные понятия и определения
- •1.2 Элементы автоматических систем
- •1.3 Основные характеристики элементов систем автоматики
- •1.4 Основные элементы систем автоматики
- •1. Датчики
- •1.5 Классификация элементов автоматики
- •Раздел II Первичные преобразователи физических величин Тема 2 Классификация и основные характеристики первичных преобразователей
- •2.1. Общие сведения о преобразователях
- •2.2. Классификация измерительных преобразователей
- •2.3. Статические и динамические характеристики измерительных преобразователей
- •2.4. Структурные схемы измерительных преобразователей
- •2.5. Унификация и стандартизация измерительных преобразователей
- •Тема 3 Первичные преобразователи с электрическими выходными сигналами.
- •3.1. Основные понятия.
- •3.2. Электроконтактные датчики
- •3.3. Потенциометрические датчики
- •3.4. Тензометрические датчики
- •3.5. Индуктивные датчики
- •3.6. Емкостные датчики
- •3.7. Пьезоэлектрические датчики
- •3.8. Терморезисторы
- •3.9. Термоэлектрические датчики
- •Раздел III Усилительные элементы систем автоматики Тема 4 Классификация и общие сведения об усилителях систем автоматики
- •4.1. Классификация усилителей
- •4.2. Характеристики усилителей
- •4.3. Обратные связи в усилителях
- •Тема 5. Полупроводниковые усилители
- •5.1. Усилители на биполярном транзисторе
- •5.2. Усилитель напряжения на полевом транзисторе
- •5.3. Операционные усилители
- •Операционные усилители без преобразования сигнала
- •5.4. Электрометрические и измерительные усилители
- •5.5. Многокаскадные усилители
- •5.6. Усилители мощности
- •5.7. Импульсные усилители
- •Раздел IV Реле Тема 6 Электрические реле
- •6.1. Электромагнитные реле
- •Электромагнитные реле постоянного тока
- •Электромагнитные реле переменного тока
- •6.2. Поляризованные электромагнитные реле
- •6.3. Реле времени
- •6.4. Тепловые реле
- •Раздел V Исполнительные элементы систем автоматики Тема 7 Классификация и общие характеристики исполнительных элементов
- •7.1. Классификация исполнительных элементов
- •7.2. Общие характеристики исполнительных элементов
- •Тема 8 Исполнительные электромагнитные устройства
- •8.1. Классификация электромагнитов
- •8.2. Поляризованные электромагниты
- •Тема 9 Электромагнитные муфты
- •9.1. Классификация муфт
- •9.2. Фрикционные муфты
- •9.3. Муфты скольжения
- •Тема 10 Исполнительные двигатели постоянного тока
- •10.1. Общие сведения
- •10.2. Исполнительные двигатели с обычным и гладким беспазовым якорями. Бесконтактные двигатели Исполнительные двигатели с обычным якорем и электромагнитным возбуждением
- •Исполнительные двигатели с обычным якорем и возбуждением от постоянных магнитов
- •Исполнительные двигатели с гладким беспазовым якорем
- •Бесконтактные исполнительные двигатели
- •10.3. Малоинерционные двигатели постоянного тока
- •Малоинерционные двигатели с печатной обмоткой якоря
- •Малоинерционные двигатели с обычной обмоткой якоря
- •Тема 11 Исполнительные двигатели переменного тока
- •11.1. Основные типы двигателей. Асинхронные микродвигатели
- •11.2. Асинхронные двигатели с полым немагнитным ротором
- •11.3. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором
- •11.4 Синхронные микродвигатели
- •11.5. Синхронные реактивные микродвигатели
- •Тема 12 Шаговые и моментные двигатели
- •12.1. Принцип действия шаговых двигателей
- •12.2. Шаговые двигатели с пассивным ротором
- •12.3. Шаговые двигатели с активным ротором
- •12.4. Индукторные шаговые двигатели
- •12.5. Шаговые реактивные двигатели
- •Раздел VI. Объекты регулирования
- •Тема 13 Классификация и основные параметры объекта регулирования
- •13.1 Классификация объектов регулирования
- •13.2 Параметры объектов регулирования
- •13.3 Определение основных свойств объектов регулирования
- •Раздел VII. Классификация систем автоматики
- •Тема 14. Системы автоматики
- •14.1 Общая классификация систем автоматики
- •14.2 Системы автоматического контроля (сак).
- •Типовая схема устройства централизованного контроля
- •14.3 Системы автоматической блокировки (саб)
- •14.4 Системы автоматической защиты (саз)
- •14.5 Системы автоматической сигнализации (сас).
- •14.6 Системы автоматического регулирования (сар)
- •14.7 Системы автоматического управления (сау)
- •Раздел VIII. Динамические звенья
- •Тема 15 Типовые динамические звенья
- •15.1 Основные понятия и определения
- •15.2. Параметры и характеристики динамических звеньев.
- •1) Лачх - логарифмическая ачх.
- •15. 3 Соединения динамических звеньев
- •15.4 Устойчивость системы автоматики.
- •15.4.1 Корневой критерий.
- •15.4.2 Критерий Стодолы.
- •15.4.3 Критерий Гурвица.
- •15.4.4 Критерий Михайлова.
- •15.4.5 Критерий Найквиста.
- •15.5. Показатели качества.
- •15.5.1 Прямые показатели качества.
- •15.5.2 Корневые показатели качества.
- •15.5.3 Частотные показатели качества.
- •15.6. Настройка регуляторов.
- •15.6.1. Типы регуляторов.
- •Раздел IX Автоматика в энергетическом хозяйстве
- •Тема 16. Автоматические системы в энергетическом хозяйстве
- •16.1 Автоматизация систем вентиляции
- •16.2 Автоматическая система кондиционирования воздуха
- •16.3 Схема автоматического повторного включения систем электроснабжения
- •16.4 Схемы автоматического включения резерва (авр)
- •Раздел X. Технические средства автоматики и телемеханики
- •17 Основные сведения о технических средствах Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (гсп).
- •17.1 Основные понятия гсп.
- •17.2 Измерительные преобразователи.
- •17.3 Исполнительные механизмы и регулирующие органы.
- •17.4. Бионические аспекты элементов автоматики
- •Раздел I. Элементы автоматики_________________________________________7
- •Раздел III Усилительные элементы систем автоматики_____________________52
- •Тема 4 Классификация и общие сведения об усилителях систем автоматики
- •Тема 5. Полупроводниковые усилители
- •Раздел IV Реле_______________________________________________________70
- •Раздел VIII. Динамические звенья _____________________________________137
- •Тема 15. Типовые динамические звенья
- •Раздел IX. Автоматика в энергетическом хозяйстве_______________________153
- •Тема 16. Автоматические системы в энергетическом хозяйстве
- •Раздел X. Технические средства автоматики и телемеханики_______________148
- •Тема 17 Основные сведения о технических средствах Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (гсп).
3.7. Пьезоэлектрические датчики
Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на использовании прямого или обратного пьезоэлектрических эффектов. Прямой пьезоэффект заключается в способности некоторых материалов образовывать электрические заряды на поверхности при приложении механической нагрузки, обратный — в изменении механического напряжения или геометрических размеров образца материала под воздействием электрического поля.
В качестве пьезоэлектрических используют обычно естественные материалы — кварц и турмалин, а также искусственно поляризованную керамику на основе титаната бария (BaTiO3), титаната свинца (PbTiO3) и цирконата свинца (PbZrO3). Можно использовать и другие материалы.
Количественно пьезоэффект оценивается пьезомодулем — Kd, устанавливающим зависимость между возникающим зарядом Q и приложенной силой F:
(3.4)
Из пьезоматериалов наиболее распространен кварц, что объясняется его удовлетворительными пьезоэлектрическими свойствами, очень высоким сопротивлением, стойкостью к воздействиям температуры и влажности, высокой механической прочностью. Кварц имеет незначительный коэффициент линейного расширения, его пьезомодуль, равный 2,3 · 10-12 Кл/Н, практически не зависит от температуры до 200 °С, в диапазоне 200...500 °С изменяется незначительно, а при 573 °С становится равным нулю; удельное электрическое сопротивление кварца порядка 1016 Ом/м; модуль упругости кварца Е= 7,7 · 1010 Па.
Пьезоэлектрический преобразователь давления представляет собой пластину из пьезоматериала. На две ее грани нанесены электроды, с которых снимается заряд или напряжение. Напряжение на обкладках при отсутствии нагрузки:
(3.5)
где Cп — емкость пьезоэлектрического элемента преобразователя,
Cп = εSx/a;
ε — диэлектрическая постоянная материала пластины;
Sx = hb — площадь грани, перпендикулярной к оси X;
а — толщина пластины.
Наряду с преобразователями, в которых пьезоэлемент работает на сжатие-растяжение, применяются конструкции, в которых элемент работает на изгиб и сдвиг (рис. 3.10). Преобразователь, работающий на изгиб, представляет собой две одинаковые пластины, склеенные между собой. Между ними располагается металлическая фольга. При изгибе такого элемента одна пластина удлиняется, а другая укорачивается. В зависимости от схемы подключения обкладок можно получить либо сумму напряжений (см. рис. 3.10, а), либо сумму зарядов (см. рис. 3.10, б). Преобразователи, работающие на изгиб, более чувствительны по сравнению с преобразователями, работающими на сжатие. В то же время они уступают последним по прочности и диапазону частот.
Преобразователь, работающий на сдвиг, представляет собой кольцо из керамики 1 (см. рис. 3.10, в), в которое вклеен внутренний электрод 3 и которое само вклеено во внешний электрод 2. Под действием силы F происходит деформация сдвига плоскостей, параллельных направлению поляризации. Достоинством такого преобразователя является отсутствие зарядов на электродах при боковых воздействиях на датчик.
Рисунок 3.10 Пъезодатчики:
а,б – работающие на изгиб соответственно с суммой напряжений и суммой зарядов, в – работающий на сдвиг;
1- кольцо; 2- внешний электрод; 3- внутренний электрод
Напряжение на выходе преобразователя сравнительно мало, поэтому обычно требуется его усилить.
Погрешность пьезоэлектрических преобразователей складывается прежде всего из погрешностей от изменения параметров измерительной цепи (емкости Cн), температурной погрешности, вызываемой изменением пьезоэлектрического модуля, погрешности вследствие неправильной установки пластин, погрешности из-за чувствительности к силам, действующим перпендикулярно к измерительной оси преобразователя, и частотной погрешности.
К достоинствам пьезоэлектрических преобразователей необходимо отнести простоту конструкции, малые размеры и стоимость, высокую надежность, возможность измерения быстропеременных величин, к недостаткам — невысокую чувствительность, непригодность к измерению статических величин, высокое входное сопротивление измерительной цепи, относительно невысокий уровень выходного сигнала, т.е. необходимость промежуточных усилителей.