Файл: Измерительные преобразователи может понадобится.doc

Чтобы измерять статические величины нужно использовать кварцевый резонатор. Опорная частота и частота от датчика используются как разностные частоты:

Схема подключения Схема усиления заряда

Схема подключения №1 служит для сохранения заряда. Для этого существует обратная связь. Во второй схеме для этого используется конденсатор, который хранит заряд порядка нескольких секунд. Что позволяет иметь достаточное время для снятия информационных сигналов.

11. Пьезорезонансные преобразователи.

В пьезоэлектрическом резонаторе происходит преобразование электрического напряжения между электродами в деформацию и механические напряжения в пьезоэлементе, которые вызывают ответ­ную реакцию по выходу в виде зарядов на электродах, возникающих под действием механических напряжений. Обратимость пьезоэлектри­ческого эффекта позволяет выполнять пьезорезонатор в виде двух­полюсника, объединяющего системы электрического возбуждения механических колебаний и съема электрического сигнала.

Резонанс­ные колебания в пьезоэлементе возникают в результате установления в нем стоячих ультразвуковых волн. Длина волны , где v — скорость распространения ультразвука; f — частота излучения. Ско­рость распространения ультразвука в материале определяется как , где Eij - константа упругости; ρ — плотность матери­ала. Следовательно, длина волны .

Если длина волны λ такова, что на отрезке h между гранями, от которых отражаются волны, укладывается целое число полуволн, то в пьезоэлементе устанавливаются стоячие волны. Таким образом, сто­ячим волнам соответствует частота возбуждающего напряжения , где n — число уложившихся полуволн. Частота коле­баний, при которой на длине h укладывается одна полуволна, является основной частотой .

Основой любого пьезорезонансного частотного датчика является пьезорезонатор, частота которого изменяется под действием измеряемой величины. Изменение частоты может происходить под воздействием:

1. температуры, которая влияет на геометрические размеры образца, плотность и упругие свойства материала;

2. механических напряжений в резонаторе или его деформации, также вызывающих изменение h, ρ и n;

3. при присоединении дополнительной массы к резонатору, изменяющей его толщину h и среднюю плотность ρ.

Таким образом, различают термо-, тензо- и массочувствительные пьезорезонаторы. Кроме этого, используются пьезорезонансные датчики с амплитудным выходом. В этих датчиках, работающих на близких к резонансной частотах при изменении акустических потерь изменяется амплитуда колебаний.

П ри построении пьезорезонансного датчика к пьезорезонатору предъявляются следующие требования: высокая добротность и чувствительность к измеряемой величине, малая чувствительность к помехам и возможность колебаний только на определенной частоте (моночастотность). Это обеспечивается выбором среза пьезоэлемента и типа возбуждаемых колебаний.

Конструкция термочувствительного пьезорезонансного датчика приведена на рис.1:

В миниатюрном металлическом герметизированном баллоне (диаметр 6—8 мм) разме­щен линзовый кварцевый резонатор 1, укрепленный, как на растяж­ках, на токоподводах 2 и 3. Для уменьшения тепловой инерционности баллон заполнен гелием, обладающим хорошей теплопроводностью. Выпускаются также датчики с резонаторами в стеклянных вакуумированных баллонах. Эти датчики имеют большую инерционность, но более высокую временную стабильность и разрешающую способность.

Схематические конструкции и схемы нагружения тензочувствительных пьезорезонаторов показаны на рис.2.

В качестве тензочувствительных резонаторов применяются пьезоэлементы температурно-независимого АТ-среза, в которых используются колеба­ния сдвига по толщине к колебания изгиба, так как только для этих типов, колебаний удается решить проблему развязки между колеблю­щейся частью резонатора и конструктивными элементами, через кото­рые передается механическая нагрузка.

Рис.2

В резонаторах (рис. 2, а и б) используются колебания сдвига по толщине, поэтому закрепление резонатора и передача усилий могут осуществляться по свободной от колебаний периферии. Резонаторы подобного типа реализуются на диапазон частот 0,3—100 МГц, имеют толщину 0,05—5 мм при поперечных размерах 3—30 мм, относительное изменение частоты при номинальной входной величине .

В резонаторах (рис. 2, б) используются изгибные колебания, которые возбуждаются системой из четырех электродов, обеспечиваю­щей противоположные по знаку сдвиговые деформации так, как пока­зано на рис. 2, г. Так, если при положительном потенциале на верх­нем электроде происходит в надэлектродной области сдвиг «вправо», то при отрицательном потенциале — «влево» и пластина изгибается. Деформации, вызываемые в ножках «камертона» колебаниями верх­ней и нижней пластин, взаимно гасятся, так как пластины перемеща­ются в противофазе. Резонаторы с изгибными колебаниями реали­зуются на диапазон частот 1-100кГц, но имеют меньшую жесткость и, следовательно, большую чувствительность, чем резонаторы с коле­баниями сдвига; относительное изменение частоты достигает значе­ний .

Масс-чувствительные резонаторы выполняются из тонких пластин или линз кварца температурно-независимого АТ-среза. В резонаторах возбуждаются колебания сдвига по толщине. Присоединяемая масса может нано­ситься с одной или с двух сторон, как на электроды, так и на перифе­рию резонатора. Наращивание массы, т. е. процесс сорбции вещества, может происходить по-разному и носить как необратимый, так и обра­тимый характер. Например, при отработке технологии процессов напыления в установке заподлицо с поверхностью, на которую про­изводится напыление, помещается пьезорезонатор-толщиномер, поз­воляющий непрерывно контролировать процесс по изменению частоты пьезорезонатора в зависимости от толщины напыленной на него пленки. В гигрометрах и газоанализаторах пьезорезонаторы покрываются специальными сорбционными покрытиями, удерживающими исследуе­мое вещество. Так, измерительный резонатор гигрометра покрывается тонкой ( мкм) пленкой окислов кремния. После измерения резонатор может быть «высушен», т.е. происходит десорбция вещества.

Максималь­ная присоединяемая масса не должна превышать г/см², и тол­щина пленок должна быть не более 1—2 мкм, в противном случае резко падает добротность резонатора, что приводит к нестабильности и большой погрешности измерения.

12.Измерительные преобразователи, основанные на использовании ПАВ.

П оверхностные акустические волны (ПАВ) находят широкое применение при разработке фильтров и линий задержек, применяемых в радиотехнических устройствах. В последнее время ПАВ используются также при разработке измерительных преобразователей.

И звестно несколько видов ПАВ, наиболее часто на практике применяют волны Релея. Смещение частиц твердого тела при распространении волны Релея в направлении оси Х иллюстрируется рис.1. Как видно из рис. 1, волны распро­страняются вблизи границы твердого тела и затухают почти полностью на расстоянии Z от поверхности, примерно равном длине волны . Одной из основных причин возрастающего интереса к ПАВ является именно сосредоточенность энергии в тонком слое, так как благодаря этому к технологии изготовления ПАВ-элемента предъявляется лишь одно требование – тщательна обработка рабочей поверхности, по которой распространяется акустическая волна.

Для возбуждения ПАВ на поверхности пьезоэлемента наносятся гребенки встречно включенных электродов (рис. 2), представляющие собой встерчноштыревой преобразователь (ВШП), имеющий шаг . При подключения напряжения к ВШП под ним вследствие обратного пьезоэффекта происходят смещения частиц и возникает ПАВ, распространяющаяся в обе стороны. Если при этом длина волны совпадает с шагом ВШП, то вследствие суперпозиции колебаний, возникающих под каждой парой электродов, суммарная энергия достигает максимума; если длина волны не совпадает с шагом ВШП, энергия ПАВ уменьшается и при определенном соотношении между и волна за пределами ВШП может полностью погаситься.

Для приема энергии ПАВ используется второй ВШП, также имеющий шаг, равный длине волны. На электродах приемного ВШП вследствие прямого пьезоэффекта возникают заряды и появляется напряжение. Линия задержки состоит из входного н выходного ВШП. В первом приближении оба ВШП можно рассматривать как локальные электроды, расположенные па расстоянии L, равном расстоянию между геометрическими центрами ВШП. Время задержки t равно времени прохождения акустической волны между ВШП, т.е. , где - скорость распространения ПАВ; - константа упругости; - плотность материала.

Изменение времени задержки ПАВ-структуры под воздействием внешних факторов используется в измерительных преобразователях с частотным выходом. При изменении относительное изменение частоты генератора составляет . Изменение времени задержки определяется изменением длины L и фазовой скорости V и равно .

Изменение времени задержки может происходить при механических деформациях ПАВ-структур под воздействием температуры, при нагружении поверхности тонкими пленками (толщина пленки h' < 0,1 ), при изменении зазора между поверхностью распространения ПАВ и токопроводящим экраном ( < ). Соответственно, на базе ПАВ-структур могут быть созданы преобразователи для измерения механических величин ( - до 1%), температуры ( - до 1%), микроперемещений, для микровзвешивания и исследования параметров тонких пленок ( - до 10%). При бесконтактной системе возбуждения ПАВ-преобразователи могут быть использованы также для измерения перемещения объекта, вызывающего перемещение одного из ВШП и приводящего к изме­нению L.

13. Вихретоковые преобразователи.

Принцип действия вихретоковых индукционных преобразователей основан на изменении индуктивности катушек при приближении к ним токопроводящего тела. При этом глубина проникновения электромагнитной волны определяется так: , где Z – расстояние проникновения, γ – проводимость материала, μ – магнитная проницаемость среды, ω – частота тока.

Например, для 50Гц Z=10мм. Если же частота тока 500кГц, то Z=0,1мм.

Вследствие приближения проводящего материала к катушке, её магнитное поле будет изменяться. На рис.1. показано, как искажается магнитное поле катушки при приближении к ней проводящей пластины.

Рис. 1а. Электромагнитное поле без внесённого проводника.

Рис. 1б. Электромагнитное поле с внесённым проводником.

Присутствие вблизи витков с переменным током проводящей среды ведёт к изменению первоначального электрического поля, а значит активного и реактивного сопротивления витков катушки. При этом активное сопротивление витка растёт за счёт роста потерь энергии в проводящей среде, а индуктивное падает. Значение этих сопротивлений при постоянной частоте питания при постоянных геометрических размерах катушки зависит от расстояния δ до этой пластины, электрической проводимости материала пластины γ и толщины пластины d. Оптимально считается, если d<2Z. Вихретоковые преобразователи находят широкое применение в области бесконтактного контроля линейных размеров тонких пластин и толщины покрытий, а также для обнаружения дефектов в деталях (царапин, трещин). Для этих целей используются накладные, экранные и щелевые датчики (рис.2).

Рис.2а. Накладной вихретоковый преобразователь.

Рис.2б. Экранный вихретоковый преобразователь.

Рис.2в.Щелевой вихретоковый преобразователь.

Применение вихретоковых датчиков для измерения перемещения целесообразно, когда предмет не и имеет ферромагнетиков, та как чувствительность ВТД к перемещению в 5-20 раз меньше, чем у индуктивного преобразователя с катушкой, помещённой в магнитопровод с перемещающимся сердечником. Кроме того, эти датчики имеют значительные погрешности, обусловленные температурными изменениями электрической проводимости проводящего тела.

14.Фотоприемники. Фоторезисторы и фотодиоды. Схемы включения.

Классификация фотоприемных устройств:

• Интегральные

• Селективные

Интегральные фотоприемники. Принцип действия их основан на изменении механических или иных свойств при изменении температуры, изменение которой осуществляется под действием светового потока

Различают следующие типы:

1. Болометры, у которых под действием температуры изменяется сопротивление.

2. Термоэлементы, используют термоэлектрический эффект, заключающийся в том, что под действием тепловой энергии на обкладках термочувствительного элемента возникает ЭДС.

3. Пироэлектрические, их действие основано на изменении параметров сегнетоэлектрика под действием изменяющегося светового потока.

Селективные фотоприемники. В таких фотоприемниках имеет место прямое взаимодействие падающих фотонов с электронами чувствительного слоя.

Селективные фотоприемники делятся на типы:

1. С внутренним фотоэффектом;

2. С внешним фотоэффектом.

К селективным фотоприемникам с внешним фотоэффектом относятся:

1. Вакуумный фотоэлемент - это электровакуумный прибор, преобразующий оптическое излучение в электронный поток.

2. Газонаполненный фотоэлемент - это электровакуумный прибор, преобразующий оптическое излучение в электронный поток, при этом величина фототока в нем в несколько раз превосходит токи в вакуумных фотоэлементах. Это достигается за счет того, что при движении фотоэлектроны ионизируют молекулы газа, вызывая газовый разряд.

3. Фотоумножители – это электровакуумный прибор, преобразующий оптическое излучение в электронный поток с последующим усиление на катодах. В этих приборах кроме первичного фотокатода имеются вторичные катоды (эмиттеры), на которых происходит вторичная термоэлектронная эмиссия.

К селективным фотоприемникам с внутренним фотоэффектом относятся:

1. Фоторезисторы. У них изменяется сопротивление под действием световой энергии;

2. Фотодиод. Под действием фотонов светового потока происходит увеличение количества неосновных носителей заряда в области базы, тем самым изменяется ширина p-n перехода. Поскольку световой поток переменен во времени, то изменение ширины перехода переменно. В результате проводимость диода становится переменной и зависит от изменения светового потока.

3. Фототранзистор. Под действием переменного светового потока изменяется концентрация неосновных носителей заряда в области базы, т.к. облучается база, тем самым изменяется проводимость между коллектором и эмиттером.

4. Фототиристор. Под действием светового потока, облучая управляющую зону, мы будем изменять порог электрического пробоя тиристора.

5. Фотоварикап. Под действием светового потока происходит изменение емкости p-n перехода.

6. Оптрон. Это комбинированный источник света и приемник излучения. Между элементами оптронной пары отсутствует электрическая связь, а передача сигнала происходит посредством световой энергии. Оптроны получили широкое распространение как элементы схем измерительных приборов, позволяющие осуществить гальваническую развязку сетей.