9.2.6. Емкостные чувствительные элементы

Емкостные датчики (рис.9.9.) представляют собой конденсаторы с изменяющимся зазором d между обкладками, площадью пластин S или диэлектрической проницаемостью ε. Изменение входной величи­ны вызывает изменение емкости конденсатора:

C = ε₀εS/(d-∆d),

где S- площадь обкладок измерительных ёмкостей; х- перемеще­ние обкладок; d - начальный зазор; ∆d - изменение зазора; ε - ди­электрическая проницаемость среды между обкладок; ε₀- абсолют­ная диэлектрическая проницаемость вакуума.

Емкостные преобразователи с переменным зазором между пла­стинами (рис. 9.9а) служат для измерения линейных перемещений х с точностью до 0,1...0,01 мкм; с переменной площадью (рис,9.9б) - для измерения линейных и угловых перемещений; с изменением диэлек­трической проницаемости среды (рис.9.9в)- для измерения уровней, влажности, температуры, химического состава и др.

Рисунок 9.9 - Емкостные чувствительные элементы.

9.2.7. Пьезоэлектрические чувствительные элементы

В них используется пьезоэлектрический эффект, сущность кото­рого состоит в том, что под действием приложенного усилия на гра­нях некоторых кристаллов (кварца, титана, бария, турматана, сегнетовой соли и др.) появляются электрические заряды (прямой пьезоэффект), а при внесении пьезоэлемента в электрическое поле он де­формируется (обратный пьезоэффект).

При действии силы F на сжатие или растяжение на гранях пла­стины возникают разнополярные электрические заряды q (рис. 9.10).

Рисунок 9.10 - Возникновение пьезоэффекта в кристалле кварца: 1,2- пластины кварца; 3- электропроводящая фольга; 4- консоль крепления пластин.

В общем виде плотность зарядов 5 зависит от механического на­пряжения кристалла δ: δ = dσ,

где d - величина, постоянная для данного типа материала и конст­рукции чувствительного элемента.

Если к кристаллу приложить внешнее электрическое поле Е (под­вести электрическое напряжение), то он начнет деформироваться - изменять свои геометрические размеры, а значит, и электрическую емкость. Переменное внешнее электрическое поле приводит к воз­никновению в кристалле механических колебаний, частота которых зависит от его величины и конструкции. Такие пьезодатчики называ­ются кварцевыми резонаторами - в них основная частота механиче­ских колебаний зависит от собственной частоты кристалла:

где E_i - модуль упругости пластины, р - плотность, ∆d - расстоя­ние между краями пластины.

Если включить кварцевый резонатор П₃ по схеме автогенератора (рис.9.11), то на выходе ОУ возникнет сигнал с частотой f зависящей от приложенного внешнего воздействия - усилия, температуры, виб­рации и т.п.

Конденсатор П₃, с кварцевой пластиной включен на инвертирующий вход операционного усилителя ОУ. Ток насыщения конденсатора создает падение напряжения на инвертирующем входе ОУ, кото­рое инвертируется и изменяет знак питания цепи П_э-R, в результате чего возникают колебания, частота которых определяется ее посто­янной времени. Частота колебаний генератора совпадает с собствен­ной частотой кварца и возникают резонансные автоколебания.

Рисунок 9.11- Кварцевый автогенератор

Чувствительные элементы пьезорезонансных датчиков выполня­ют в виде резонатора той или иной формы - прямоугольной, квад­ратной, круглой и т.п. Пьезоэлектрические датчики используются при измерении усилий, давлений, вибраций и других физических вели­чин.