1.12 Измерение давления пьезокристаллами

О сновная масса пьезокристаллов обладает анизотропными (неодинаковыми) в различных направлениях свойствами. Так кристаллы имеют разную оптическую плотность в различных направлениях. Механическая прочность кристаллов в различных направлениях тоже различна. Для нас особый интерес имеет свойство кристаллов создавать заряды разных знаков на двух гранях кристаллов. Явление возникновения электрических зарядов под действием механической нагрузки называется прямым пьезоэффектом. Заряд, возникающий на гранях кристалла по оси х, пропорционален величине силы, действующей по этой оси, рис. 1.13. Но полученный заряд зависит не только от действующей силы, но и от геометрических размеров кристалла.

где k - коэффициент пьезочувствительности элемента;

l - длина грани кристалла;

d - длина ребра кристалла;

F_x - сила, действующая на кристалл в направлении х.

И з формулы следует, что чем тоньше и длиннее кристалл, тем выше заряд на его гранях х. В качестве кристаллов используются: кварц, сегнетова соль, турмалин, титанат бария и керамика ЦТС (цирконат-титанат свинца).

Следует помнить, что заряды возникают только на двух гранях х, вследствие анизотропии кристалла. На других гранях кристалла заряды не возникают. Если воздействовать на указанный кристалл в направлении у - знак заряда на гранях х меняется на противоположный:

Для получения высоких напряжений на гранях кристаллов последние соединяют последовательно токопроводящим клеем в пьезокристаллическую батарею (рис. 1.14), которая может создавать значительные пьезоэлектрические заряды.

Пьезокристаллы применяют для измерения быстро изменяющихся во времени и пульсирующих давлений в диапазоне от 20 до 7000 Гц, а также для измерения сверхвысоких давлений.

Погрешность измерений давлений пьезокристаллами составляет ±2%. Основная погрешность при измерениях давления возникает вследствие неправильности установки пластин пъезокристалла, изменения параметров входной емкости. Погрешности возникают при действии поперечных сил и при изменении температуры. Частотная погрешность вызывается действием электрических сил при наводке ЭДС в проводниках пъезокристалла.

В пьезокристаллах наряду с прямым пьезоэффектом возможен и обратный пьезоэффеект. При подаче на грани кристалла переменного напряжения он начинает деформироваться. Такое явление носит название обратного пьезоэффекта.

1.13 Манометр электрический с дистанционной передачей сигнала

В корпусе диаметром 160 мм помещены держатель с трубчатой одновитковой пружиной (рис. 1.15), передаточный механизм в виде оси с плунжером, дифференциальный трансформатор в виде первичной обмотки и двух вторичных обмоток, включенных встречно-последовательно, рис. 1.16. Такой трансформатор представляет собой мост переменного тока, в котором ЭДС, наведенные во вторичных обмотках, направлены навстречу друг другу.

К клеммам 1 и 2 подводится переменное напряжение, которое создает переменный ток в первичной обмотке дифференциального трансформатора. Плунжер представляет собой магнитопровод с высокой относительной магнитной проницаемостью. Переменный ток первичной обмотки трансформатора создает в магнитопроводе переменное магнитное поле, которое наводит переменную ЭДС во вторичных обмотках трансформатора. Эти ЭДС создают переменный ток, направленный навстречу друг другу. Если плунжер находится в среднем положении, то возникшие ЭДС, а, следовательно, и токи будут одинаковы и компенсируют друг друга. При подаче в трубку Бурдона давления происходит деформация измерительной трубки, которая перемещает плунжер вверх. При этом ЭДС, наведенная в нижней обмотке ниже, чем ЭДС в обмотке . Ток обмотки больше тока обмотки . Взаимной компенсации токов не происходит. Увеличение результирующего тока приводит к росту падения напряжения на переменном резисторе R. При этом падение напряжения на резисторе R пропорционально давлению в измерительном механизме. На рисунке 1.16. показаны направления токов. Красным цветом - при положительной полуволне переменного тока, а синим - при отрицательной полуволне.

Резистор R выполнен в виде потенциометра, осуществляющего согласование измеряемого напряжения с измерительным прибором.