- •Содержание
- •Тема 1. Основные свойства элементов систем автоматического управления
- •1.1 Классификация элементов систем
- •1.2 Статические свойства элементов
- •1.3 Динамические свойства элементов
- •1.4 Энергетические свойства элементов
- •Тема 2. Электрический контакт
- •2.1 Сопротивление контакта
- •2.2 Основы расчета и проектирования электрических контактов
- •2.3 Конструирование неподвижных контактов.
- •2.4 Конструирование разрывных контактов.
- •2.5 Искрогашение
- •Тема 3. Датчики перемещения
- •3.1 Потенциометрический датчик перемещения
- •3.1.1 Конструкция потенциометрических датчиков перемещения
- •3.1.2 Расчет потенциометрического датчика.
- •3.1.3 Функциональные потенциометры.
- •3.1.4 Динамические свойства потенциометрических датчиков
- •Тема 4. Электромагнитные датчики перемещения
- •4.1 Однотактный индуктивный датчик перемещения
- •4.2 Двухтактный индуктивный датчик перемещения
- •4.3 Трансформаторные (индукционные) датчики
- •4.4 Индукционные рамочные датчики перемещений
- •Тема 5. Емкостный датчик перемещения
- •Тема 6. Оптоэлектронный аналоговый датчик перемещения
- •Тема 7. Датчики с неограниченным перемещением
- •7.1 Амплитудный режим работы сквт
- •7.2 Фазовый режим работы сквт
- •7.3 Электрическая редукция
- •7.4 Индуктосин
- •Тема 8. Оптоэлектронные дискретные датчики перемещения.
- •8.1 Оптико-электронный датчик перемещения накапливающего типа (инкрементный энкодер)
- •8.2 Интерференционный датчик перемещения
- •8.3 Оптико-электронный датчик перемещения считывающего типа (абсолютный энкодер)
- •Тема 9. Определение углового положения летательных аппаратов
- •Тема 10. Датчики скорости перемещения
- •10.1 Дифференцирование сигнала по перемещению
- •10.2 Центробежный датчик скорости вращения
- •10.3 Электромагнитные датчики скорости перемещения
- •10.4 Тахогенераторы постоянного тока
- •10.5 Синхронные тахогенераторы.
- •10.6 Асинхронный тахогенератор
- •Тема 11. Измерение угловых скоростей летательного аппарата
- •Тема 12. Измерение линейной скорости движения летательных аппаратов
- •12.1 Измерение путевой скорости с помощью эффекта Доплера
- •12.2 Корреляционно-экстремальная система навигации
- •Тема 13. Измерение линейных ускорений
- •Тема 14. Измерение угловых ускорений
- •Тема 15. Датчики усилия
- •15.1 Магнитоупругие датчики усилия
- •15.2 Пьезоэлектрические датчики усилия
- •15.3 Тензорезисторы
- •Тема 16. Датчики крутящего момента
- •Заключение
- •Список литературы
15.2 Пьезоэлектрические датчики усилия
Пьезоэлектрическими называются кристаллы и текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект). Пьезоэффект (в отличие от магнитоупругости) обладает знакочувствительностью, т.е. происходит изменение знака заряда при смене растяжения сжатием (при прямом пьезоэффекте) и изменение знака деформации при изменении направления поля (при обратном пьезоэффекте). Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кристаллические вещества: кварц, турмалин, ниобат лития сегнетова соль и др., а также искусственно создаваемые и специально поляризуемые в электрическом поле пьезокерамики: титанат бария, титанат свинца, цирконат свинца и т.д. /7/
Простейший пьезоэлектрический датчик усилия состоит из пьезоэлемента установленного между двух пластин (электродов) (рис. 137).
К пластинам прикладывается измеряемое усилие F. В пьезоэлементе возникает механическое напряжение
(84)
где S – площадь пьезоэлемента.
Рис. 137.
Измерение усилия с помощью пьезоэлемента.
В соответствии с прямым пьезоэффектом на гранях пьезоэлемента появляется электрический заряд q, величина которого определяется механическим напряжением, площадью элемента и свойствами материала
(85)
Для современных пьезоматериалов величина К (пьезомодуль) достигает значений 50 – 400 пК/Н.
Пьезоэлемент с электродами образует конденсатор, емкость которого определяется по формуле , где - относительная диэлектрическая проницаемость материала, S – площадь и d – толщина пьезоэлемента.
На обкладках заряженного конденсатора появляется разность потенциалов
, (86)
которая для реальных пьезоэлементов может достигать величины сотен и тысяч вольт.
Эквивалентная схема датчика соединенного кабелем с измерительной цепью показана на рис. 138б. Здесь С0 и R0 – емкость и сопротивление утечки пьезодатчика, Сk и Rk – емкость и сопротивление изоляции кабеля, Си и Rи – емкость и входное сопротивление измерительного устройства. Схему на рис. 138б можно упростить, как показано на рис 138в, определив эквивалентную емкость и сопротивление цепи (C и R).
Под воздействием нагрузки в пьезоэлементе генерируется заряд. Этот заряд не может сохраниться в конденсаторе C, поскольку он будет перетекать с одной обкладки конденсатора на другую через эквивалентное сопротивление R.
Ток разряда , т.к. положительное направление разрядного тока соответствует уменьшению напряжения на конденсаторе.
С другой стороны произведение тока на сопротивление равно напряжению на конденсаторе . В результате получаем уравнение изменения напряжения, измеряемого прибором
(86)
Решением этого уравнения является экспонента
,
где – начальное значение напряжения.
Переходный процесс пьезодатчика при нагрузке в виде единичного скачка показан на рис. 139.
Для определения передаточной функции датчика проведем эксперимент – подадим на вход периодический входной сигнал
В этом случае заряд, генерируемый пьезоэлементом будет .
Ток, генерируемый пьезоэлементом в этом случае , или в комплексном виде. Этот ток поступает на цепочку из параллельно включенных конденсатора С и резистора R, имеющую комплексное сопротивление
Выходное напряжение
Этой зависимости соответствует передаточная функция
, (87)
в которой k=KR и T=RC. Это передаточная функция реального дифференцирующего звена (см. тему «Датчики скорости»). Переходный процесс такого звена показан на рис. 139.
б
Рис. 138
Электрическая схема пьезоэлектрического датчика усилия.
Рис. 139
Реакция пьезоэлектрического датчика усилия на ступенчатый входной сигнал.
Из полученной передаточной функции следует, что пьезодатчик не может измерять постоянно действующие усилия, но эффективен при измерении переменных усилий, частота которых превышает 1/Т.
Рис. 140.
Пример пьезоэлектрического датчика усилия.
На рис. 140 показана конструкция пьезоэлектрического датчика линейных ускорений. Все элементы датчика крепятся к основанию 1, выполненному из титана. Преобразователь 2 состоит из двух включенных параллельно пьезоэлементов из кварца Х-среза. Инерционная масса 3 для уменьшения габаритов датчика изготовлена из легко обрабатываемого сплава ВНМ3-2 с высокой плотностью (18 г/см3). Сигнал с кварцевых пластин снимается при помощи вывода из латунной фольги 4, соединенного с кабелем 6. Кабель крепится к основанию при помощи пайки. Датчик закрывается крышкой 5, навинчиваемой на основание. На основании нарезана резьба для крепления датчика на объекте. Масса датчика 35 г, рабочий диапазон измерения ускорений 1-150 м/с2. /7/