- •1. Состав систем автоматики
- •2. Физические основы работы электромеханических и магнитных элементов
- •3. Статические характеристики
- •4. Динамические характеристики
- •5. Обратная связь в системах автоматики
- •6. Надежность элементов систем автоматики
- •7. Электрические измерения неэлектрических величин
- •8. Мостовая измерительная схема постоянного тока
- •9 . Мостовая схема переменного тока
- •10. Дифференциальные измерительные схемы
- •11. Компенсационные измерительные схемы
- •13 Типы электрических датчиков
- •21. Терморезисторы
- •12. Первичные преобразователи с неэлектрическим выходным сигналом
- •14. Контактные датчики с дискретным выходным сигналом
- •15. Потенциометрические датчики
- •16 Тензометрические датчики
- •17. Электромагнитные датчики
- •18. Магнитоупругие датчики Индукционные датчики
- •19. Пьезоэлектрические датчики
- •20. Емкостные датчики
- •22. Струнные датчики
- •23. Фотоэлектрические датчики
- •24. Ультразвуковые датчики
- •25. Излучатели ультразвуковых колебаний
24. Ультразвуковые датчики
Работа основана на взаимодействии ультразвуковых колебаний с измеряемой средой. К ультразвуковым относят механические колебания, происходящие с частотой более 20 000 Гц, т. е. выше верхнего предела звуковых колебаний, воспринимаемых человеческим ухом. В УД информация о различных неэлектрических величинах получается благодаря измерению параметров ультразвуковых колебаний: времени их распространения, затухания амплитуды этих колебаний, фазового сдвига этих колебаний.
Ультразвуковые методы измерения относятся к электрическим методам, т.к. возбуждение ультразвуковых колебаний и прием этих колебаний выполняются электрическим способом. Обычно для этого используют пьезоэлементы и магнитострикционные преобразователи. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в сжатии и растяжении пьезокристалла, к которому приложено переменное напряжение. Для возбуждения ультразвуковых колебаний и используется этот эффект. Таким образом, пьезоэлемент может использоваться попеременно то излучателем, то приемником ультразвуковых колебаний.
Эхолот — прибора для измерения глубины моря. При подаче переменного напряжения на пьезоэлемент 1 возбуждаются ультразвуковые колебания, направленные вертикально вниз. Отраженный ультразвуковой импульс воспринимается пьезоэлементом 2. Электрический прибор 3 измеряет время t между посылаемым и принимаемым импульсами. Глубина моря пропорциональна этому времени и скорости распространения звука v в воде:
Аналогично действует ультразвуковой локатор, определяющий расстояние до препятствия на пути корабля в горизонтальном направлении.
Ультразвуковые колебания имеют энергию значительно большую, чем звуковые, поскольку энергия пропорциональна квадрату частоты. Кроме того, сравнительно просто осуществляется направленное излучение ультразвука.
25. Излучатели ультразвуковых колебаний
В ультразвуковых электрических датчиках наибольшее распространение получили магнитострикционные и пьезоэлектрические излучатели, возбуждаемые с помощью полупроводниковых и электронных генераторов, вырабатывающих переменное напряжение с частотой более 10 кГц.
М
Так как знак деформации не зависит от направления поля, то частота колебании деформации будет в два раза больше частоты переменного возбуждающего поля. Для получения больших механических деформаций используют постоянное подмагничивание стержня, чтобы работать на наиболее крутом участке кривой.
Магнитострикционные излучатели работают в условиях резонанса, когда частота возбуждающего поля совпадает с частотой собственных упругих колебании стержня, которая определяется l — длина стержня; Е — модуль упругости; ρ — плотность материала.
В
Поперечный обратный пьезоэффект заключается в деформации пластины в направлении механической оси Y
Частота собственных продольных колебаний зависит от модуля упругости в направлении оси X:
Частота собственных поперечных колебаний зависит от модуля упругости в направлении оси Y:
По сравнению с магнитострикционными пьезоэлектрические излучатели обеспечивают значительно большую (на 1—2 порядка) частоту ультразвуковых колебаний.