Физические основы емкостных преобразователей. Область их применения.

Два проводника (или система из двух металлических обкладок), расположенные на небольшом расстоянии одни от другого, разделенные слоем диэлектрика, образуют конденсатор, емкость которого зависит от формы и размеров конденсатора и от диэлектрической проницаемости среды. Емкость плоского конденсатора без учета краевого эффекта определяется уравнением: где ε₀ – диэлектрическая постоянная; ε _r – относительная диэлектрическая проницаемость среды, находящейся между пластинами; S – площадь пластин; d – расстояние между ними.Емкостным преобразователем перемещений называется устройство для преобразования малых линейных перемещений в электрический сигнал и представляющее собой плоский или цилиндрический конденсатор, одна из обкладок которого подвижна и воспринимает изменение размера. При этом меняется либо зазор между обкладками (рис. а, в), либо площадь их взаимного перекрытия (рис. б).

Изменения емкости для схем а, в происходит на основании зависимости: Схема в иллюстрирует дифференциальный емкостной датчик: при перемещении подвижной обкладки емкость одного конденсатора увеличивается, а другого уменьшается на одну величину.Для схемы б (цилиндрический конденсатор) емкость изменяется по формуле: [пФ], где Δ l – перемещение (изменение длины); D, d – диаметры обкладок.

В качестве примера рассмотрим дифференциальный емкостной преобразователь уровня.

Датчик состоит из двух плоских конденсаторов: С ₀ – с постоянной емкостью и С_x – емкость которого зависит от уровня электропроводящей жидкости h_x, которая служит вторым электродом конденсатора С_x. Конденсаторы С ₀, С_x включены в мостовую схему, в диагонали которой установлен усилитель. При равновесном мосте (С ₀ = С_x) сигнал в диагонали отсутствует. При изменении уровня h_x С_x изменяется, мост разбалансируется, сигнал разбаланса усиливается усилителем и передается на двигатель 3, который перемещает преобразователь до восстановления равновесия моста. Одновременно фиксируется уровень h_x. Емкостные датчики, работающие по изменению ε, используются для измерения концентраций и состава веществ (при полном заполнении зазора) и для измерения толщины изоляционных материалов (при частичном заполнении зазора). При этом используется соотношение: Так измеряют влагосодержание веществ (электропроводность воды больше, чем воздуха), содержание воздуха в пенопластах, уровень жидкостей. Емкостный принцип используется при измерении шероховатости поверхностей с помощью емкостных профилометров. Здесь емкость определяется средним зазором между пластиной датчика и микронеровностями рельефа. Емкостные датчики используются также при измерении ряда физических величин, вызывающих малые перемещения: давлений, сил, деформации.

 

172. Физические основы действия элементов Холла и магниторезисторов. Использование в измерительной технике. Если в Ме пластину через к-рую течет ток поместить в магнитное поле с вектором индукции перпендикулярно плоскости пластины, то на боковых сторонах, в направлении перпендикулярном векторам Е и I возникает разность потенциалов – ЭДС Холла. Одновременно с эф. Холла возник магниторезистивный эффект – ээ Гаусса, к-рый заключается в увеличении сопротивления такой пластины. Измененяя материал и конструкцию преобразователя можно усилить один эф и ослабить др., получая соответственно или элемент Холла или магниторезисторы. В основе обоих эф лежит действие силы Лоренца на движущиеся носители заряда со стороны магнитного поля. Магниторезисторы - исп в качестве датчиков перемещения и конечных выключений, элементы Холла – датчики поворота. Эффект Холла исп д/обнаружения дефектов в материале и измерения их толщины.

 

173. Физические основы пьезоэлектрического эффекта. Примеры использования измерительных пьезопреобразователей. Пьезоэффект – в-во некоторых кристаллов (кварц, искусственная пьезокерамика, титанатнатрия) накапливать на своих гранях электрические заряды при деформации. Направление электрического поля зависит от направления деформации (сжатие, растяжение). В отсутствие деформации кристалл симметричен, и умма проекции векторов поляризации = 0 () При сжатии в продольном направлении симметрия нарушается и сумма проекций векторов: , что вызывает появление зарядов на деформированных гранях. Это продольный пьезоэффект. При деформации кристалла вдоль поперечной оси заряды образуются на гранях перпендикуляно нагружаемым – поперечный пьезоэф. Пьезоэф исп д/контроля динамических сил и давлений (например пьезоэлектрический динамометр), д/измерения параметров вибрации (например пьезоэлектрический виброэлектрометр).