Физическая величина, её значение и размер

Возможность использования  пьезоэлементов для измерения динамических быстроизменяющихся величин определяется временем прохождения волны деформации через толщину элемента. И эта величина равна t₁ = ,где - толщина элемента в направлении приложения, v – скорость звука в материале. Для кварцевых пьезоэлементов толщиной (0,2 до 1,0)см. Время прохождения деформации составляет t₁ (0,4 до 2*10^-6)  с. По истечении этого времени волна деформации отражается от противоположной поверхности пьезоэлемента и вызывает резонансные колебания его, которые накладываясь на измеряемое давление, искажает исследуемый процесс. Для исключения этого явления используется принцип акустического стержня, позволяющей искусственно увеличить расстояние, которое проходит волна деформации. С этой целью к пьезоэлементу приклеивают металлический стержень так, чтобы в местах склейки волны деформации не отражались. Время протекания процесса без наложения на него колебаний определяется так:

t₂ = +, где l – длина металлического акустического стержня, v₁ – скорость звука в пьезоэлементе, v₂ – скорость звука в металле.

 

Верхний предел частотного диапазона пьезоэлементов определяется частотой их собственных колебаний f₀, которая достигает сотен килогерц. При этом, f_0x = (1/(2))* , f_0y = (1/(2))* где f_0x и f_0y это частоты собственных колебаний пьезоэлемента вдоль и поперек электрической оси, – плотность материал, E_x и E_y – модули упругости материала вдоль своих осей. Действие пьезоэлектрических излучателей и стабилизаторов частоты изготовленных обычно из кварца или титанат бария. Основана на обратном пьезоэффекте. По аналогии с прямым пьезоэффектом различают продольный и поперечный обратные пьезоэффекты. Продольный и поперечный обратные пьезоэффекты в виде деформации пьезоэлемента можно наблюдать при воздействии электрического поля напряженностью U_x/, направленого вдоль электрической оси X:

 

 

 

Относительная деформации вдоль оси X определяется выражением = d(U_x/), где d – коэффициент характеризующий обратный пьезоэффект материала диэлектрика. Абсолютная величина = dU_x, т.е. не зависит от размера пьезоэлемента. При воздействии того же поля возникает так же и поперечный обратный пьезоэффект выражающийся в деформации вдоль оси Y и он равен , т.е. зависит от размеров пьезоэлементов. Продольное и поперечное деформации для кварца и титаната бария пропорциональны приложенному напряжению до 2,5 киловольтов.

Амплитуда колебаний излучателя будет максимальной при совпадении частоты колебаний электрического поля с собственной частотой элемента. Пьезоэлектрические излучатели широко применяются для измерения расхода  жидкости и газа. При этом измеряют либо сдвиг фаз между колебаниями (направленными по переменно по потоку и против него), либо разность частот колебаний (создаваемых автоколебательной системой и направленных одновременно по потоку и против него). Наиболее простой является первая схема с двумя одинаковыми излучателями, расположенными на фиксированном расстоянии по поверхности трубы, в которой движется жидкость или газ. С помощью коммутатора пьезоэлементы поочередно подключаются либо к генератору ультразвуковых частот, либо к усилителю. Колебания от генератора и с выхода усилителя сравниваются в фазометре. Погрешности пьезоэлементов определяются в основном непостоянством параметров измерительной цепи влиянием температуры, влажности, загрязнений, неправильной установкой пластин, а также влиянием усилий действующих вдоль механической оси. Широкое распространение пьезоэлементов объясняется малой инерционностью, отсутствием гисестрезиса, широким диапазоном изменения входных величин сравнительно малыми массой и габаритными размерами и достаточно простой конструкцией. К их недостаткам можно отнести трудность проведения статической градуировки, необходимость высокой изоляционной прочности и большого сопротивления соединительных цепей, неустойчивость работы при низких частотах, зависимость показаний от температуры и влажности.

В заключении, отметим области применения пьеоэлементов:

1. Преобразователи, в которых используется прямой пьезоэффект, применяются в приборах для измерения силы, давления и ускорения.
2. Преобразователи, где используется обратный пьезоэффект применяются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний в преобразователях напряжения в деформацию, например, в пьезоэлектрических реле, исполнительных элементах автоматических систем, перемещающих оптические зеркала оптических приборов и т.д.
3. Преобразователи, в которых используются одновременно прямой и обратный пьезоэффекты имеется в виду пьезорезонаторы имеющие максимальный коэффициент преобразования одного вида энергии в другой на резонансной частоте и резко уменьшающейся коэффициент преобразования при уходе от резонансной частоты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если магнитной цепи  преобразователя  в соответствии с рисунком

 

 

 

 

 

 

 

Если к магнитной цепи преобразователя переложить сжимающие  или растягивающие усилия, то в следствие их взаимодействия произойдет изменение магнитной проницаемости сердечника. Последние вызовет изменение магнитного сопротивления, т.е. z_m = , где l –длина сердечник, S – площадь сечения сердечника, - магнитная проницаемость. Это в свою очередь приведет к изменению индуктивности обмотки или взаимоиндуктивности между обмотками. Подобные преобразователи, где в качестве входной величины является упругая деформация сердечника могут быть использованы для измерения сил давления моментов и т.д. Эти преобразователи основанные на изменении магнитного сопротивления связанного с изменением магнитной проницаемости в ферромгнитного сердечника под действием механической деформации называются магнитоупругими преобразователями.

 

Если в цепь преобразователя  ввести постоянный магнит и через  обмотку W₁ пропустить постоянный ток, то произойдет следующие: при неподвижной обмотки W₂ ЭДС на ее зажимах будет равна нулю, однако, если обмотка W₂ под воздействием измеряемой величины будет перемещаться, то сцепленный с ней магнитный поток будет изменяться и в результате в ней будет наводится ЭДС.

e = - W₂ , где _– скорость изменения магнитного потока

сцепляющегося с витками обмотки. Поскольку скорость изменения магнитного потока определяется скоростью перемещения обмотки в воздушном зазоре, то этот преобразователь имеет входную величину в виде линейных и угловых перемещений, а выходную в виде индуцированной ЭДС. Подобные преобразователи, где скорость изменения измеряемой величины преобразуется в ЭДС называются индукционными.

 

Вихретокововыми преобразователями называются преобразователи принцип действия которых основан на изменении индуктивности и взаимоиндуктивности обмоток при приближении к ним тока проводящего тела. Магнитомодуляционными называются преобразователи действие которых основано на изменении магнитного состояния в ферромагнитного материала при одновременном намагничивании в постоянном и переменном полях. Модуляция магнитным потоком происходит за счет нелинейных свойств магнитных цепей.

Преобразователями на эффекте  Баркхаузена называется преобразователи, действие которых обусловлено неоднородностями структуры в ферромагнитного материала, что вызывает скачки намагниченности при изменении внешнего магнитного поля или при наличии механических воздействий.

1. Индуктивные преобразователи. Наиболее широкое применение нашли два типа преобразователя: 1) С малым воздушным зазором или с малых перемещения якоря, 2) С большим перемещения сердечника или с разомкнутой магнитной цепью.

 

Здесьрабочее пермещение составляет от одной сотой до десяти миллиметров. Преобразователь с разомкнутой цепью имеет такой вид 

 

Этот преобразователь  представляет собой катушку 2, внутри которой помещен стальной сердечник 1. Перемещение сердечника вызывает изменение индуктивности катушки. Этот тип преобразователя применяется  для измерения значительных перемещений  сердечника(10 – 100 мм). Основным достоинством индуктивных преобразователей является возможность получения большой мощности преобразователя. Что позволяет пользоваться сравнительно малочувствительными указателями на выходе измерительной цепи. Для существенного уменьшения погрешности индуктивных преобразователей и увеличения линейного участка характеристики применяется дифференциальная схема. И схематически конструктивная схема индуктивных преобразователей в этом случае имеет следующий вид.

 

 

 

 

И в том и другом преобразователе  происходит перемещение сердечника 1, и при перемещении в направлении  стрелки увеличение сопротивления  z₁ и уменьшение z₂.

…

 

Из сравнения трансформаторного  преобразователя с индуктивным  преобразователем видно,  что их конструкции магнитных цепей  одинаковы и отличаются они лишь тем, что у них разное число  обмоток. При центральном расположении сердечника ЭДС вторичных обмоток  равны между собой и суммарная  выходная ЭДС E₂  равна нулю, так как обмотки включены встречно. При смещении сердечника ЭДС E₂ будет определяться:

E₂ = E_a-E_b = jw₂() = (z_mb-z_ma);

Пологая, что z_mb = z_m + z_m; z_ma = z_m - z_m;

E₂ = ;

ЭДС прямопропорционально изменению z

Трансформаторные преобразователи  применяется для измерения угла поворота

 

 

 

 

Напряжение подводиться к обмотке 1, обмотка 2 в этом преобразователе  выполнена в виде рамки имеющая  возможность поворачиваться в магнитной  цепи зазора. При крайних положениях рамки (α₁, α₂) индуктированная в ней ЭДС E₂ имеет максимальное значение. По мере поворота рамки в горизонтальное положение ЭДС E₂ линейно уменьшается до 0. При переходе рамки через горизонтальное положение фаза ЭДС изменяется на 180⁰. В тех случаях, когда хотят получить изменение ЭДС преобразователя от нуля до максимума при повороте рамки из одного крайнего положения α₁ в другое α₂ последовательно с рамкой включают дополнительную обмотку 3.

 

 

 

Преобразователи подобного  типа применяются для измерения  больших углов поворота. Для измерения  больших линейных перемещений служит преобразователь с распределенными  магнитными параметрами и схему  такого преобразователя можно изобразить так.

 

 

Этот преобразователь  состоит из магнитопровода 4 с рабочей частью в виде двух параллельных полос обмотки возбуждения 1 и подвижной обмотки 2 при перемещении обмотки 2 от положения 3 до положения 5, индуктированная в обмотке 2 ЭДС возрастает, причем зависимость приращения ЭДС от перемещения обмотки 2 оказывается практически линейной, если магнитное сопротивление участка 3, 5 магнитопровода мало по сравнению с магнитным сопротивлением зазора. Преобразователи относительно просто изготовить и с требуемой функциональной зависимостью применив для этого профилированный магнитопровод.

 

 

 

 

Неподвижные обмотки преобразователя (обмотки питания) соединены так , чтобы их потоки Ф в магнитопроводе были направлены встречно, тогда положение (0,0) ЭДС подвижной обмотки будет равна нулю. При смещении обмотки вправо или влево от нейтрального положения в ней будет наводится ЭДС фаза которой отличается на 180⁰

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вторая подгруппа сдает  лаб.раб. 13.11.11

 

Электромагнитные  преобразования

В основе принципа действия электромагнитной преобразователей лежат явления  электромагнитного поля. Чтобы перейти  к классификации магнитных преобразователей сначала остановимся на обобщенной цепи электромагнитного преобразователя  с двумя обмотками. Обобщенную цепь можно представить следующим  образом 

 

 

1. Подвижный сердечник; 2 – неподвижный сердечник; 3 – пластина

Полное сопротивление  обмотки W₁ пренебрегает утечками магнитного потока, можно записать так:

Z = R₀ + j = R₀ + j = R_экв + j, где сопротивление R₀ – это сопротивление обмотки к постоянному току, Z_M – это магнитное сопротивление ферримагнитной части магнитной цепи, которая при работе преобразователя на переменном токе следует считать комплексным. Причём, X_M – отражает потери стали на дистрезис и вихревые токи. R_δ = δ/( μ₀ S) – это сопротивление воздушного зазора, S  - площадь зазора, μ₀ – окрестность. Если потери в стали малы, т.е. X_M намного меньше R_M, то индуктивность L = , M = . Если изменять R_δ, например, приближая подвижный сердечник 1 к неподвижному сердечнику 2, т.е. уменьшая зазор или уменьшить площадь S поворачивая сердечник относительно неподвижной части магнитной цепи, то при этом будет изменяться значение индуктивности L и взаимоиндуктивности M. Значение L и M можно изменять и при неподвижных сердечниках 1 и 2, путем введения в воздушный зазор пластины 3 из ферромагнитного материала или пластины из электропроводного материала. В последнем случае, изменение L и M обусловлено размагничивающим действием токов наведенных в пластине основным магнитным потоком проходящим от магнитной цепи.

Исходя из того какой эффект является в преобразователе основополагающим на практике наибольшее применение нашли  следующие типы электромагнитных преобразователей:

1. Индуктивные
2. Взаимоиндуктивные (трансформаторные)
3. Вихретоковые 
4. Индукционные
5. Магнитоупругие
6. Магнитомодуляционные
7. Преобразователи на основе эффекта Баркхаузена

 

Преобразователи, где величина в  виде перемещения, меняет индуктивность, называется индукционными. Преобразователи, где перемещение меняет взаимоиндуктивность, называется трансформаторными. В трансформаторных преобразователях изменения взаимоиндуктивности можно получить не только при изменении магнитного сопротивления, но и при перемещении одной из обмоток.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопросы, которые он задает на защите по лаб. раб.

1. Зачем стоит линза?
2. Что такое коэффициент тензочувствительности?