Э. Д. С. во вторичной обмотке описывается выражением

E 2 = 4 cqbfBSw 2 sinα,

(2.5.8)

где c – коэффициент формы кривой перемагничивания; q – конструктивный фактор, зависящий от размеров магнитопровода и расстояния между отверстиями; B – магнитная индукция; S – сечение магнитопровода, определяющее сопротивление магнитному потоку; α=f(F) – угол между направлением магнитного потока и плоскостью катушки w₂.

Для расширения, в сторону увеличения, нагрузочной способности промышленностью выпущены датчики из листовой холоднокатаной электротехнической стали по виду, представленному на рис. 2.5.6, где обе обмотки рассредоточены вдоль пакета сердечника. Такие датчики приемлемы для контроля статических усилий, например транспортных (авто- и железнодорожных), т. к. они работают при F = n 100 кг.

Рис. 2.5.6

Для непосредственного измерения упругих деформаций, при F ≤1,0 кг, могут быть использованы пьезоэлектрические датчики (рис. 2.5.7).

В них под действием сил упругих деформаций генерируется Э. Д. С. по нелинейному закону (см. рис. 2.5.8).

Рис. 2.5.7 Рис. 2.5.8

Типичные датчики силы по рис. 2.5.7. представляют собой кварцевые или пьезокерамические шайбы (пластины) с нанесенными способом вжигания серебра электродами. Их преимущества – малые размеры и вес, а недостатки – сложность изготовления датчика на нагрузки F <10 H, когда диаметр шайбы сильно уменьшается, и имеет место стекание заряда (см. рис. 2.5.8).

Хотя C _д≈10 пФ, R _утечки≈10¹³ Ом, f _min≈2×10^-4 Гц, но общая постоянная времени датчика τ ≈10^-3 сек.

Из-за стекания заряда уже через 1 сек имеет место погрешность в 10³ раз. Использование прямого пьезоэффекта обеспечивает в полной мере измерение только динамических и квазистатических сил, поэтому эти датчики используют для фиксации наличия касания.

Для измерения сил в статике приемлем пьезоэлектрический трансформатор (рис. 2.5.9), в котором на одном торце шайбы размещается два электрода, а на другом один, датчик питается от внешнего источника переменного напряжения U_вх, выходной сигнал U=f (F), но U≠f(t).

Для повышения чувствительности пьезоэлектрического трансформатора его строят по схеме, приведенной на рис. 2.5.10, т. е. пьезоэлементы в нем набирают в стопу через демпфирующие из диэлектрика (показано желтым цветом) прокладки, а электрически последовательно соединяют через усилители тока.

Рис. 2.5.9 Рис. 2.5.10

Такой датчик приемлем для измерений на F ≈0,01 г., он находит применение в точной весоизмерительной технике.

На базе пьезоэлектрического трансформатора разработан трехкоординатный датчик ускорений (акселерометр) (рис. 2.5.11).

Датчик применим для контроля вибраций силового оборудования, в частности на гидро- и теплоэлектростанциях, и контроля перегрузок, в частности, на авиационном транспорте. Датчик для контроля вибраций силового оборудования в каждом канале содержит чувствительные элементы 1 (1_x, 1_y, 1_z), ориентированные степенями свободы в направлении прямоугольных координат X, Y и Z, соответственно; фильтры нижних частот (ФНЧ) с корректорами амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) 2_x, 2_y и 2_z, соединенные входами с выходами датчиков 1_x, 1_y и 1_z, соответственно, масштабирующие усилителя 3_x, 3_y и 3_z, соединенные с выходами ФНЧ с корректорами АЧХ 2_x, 2_y и 2_z; задатчики 4; блоки сравнения 5; блоки питания 6 и опорного напряжения 7.

Рис. 2.5.11

Он включает по числу координат идентичные датчики (чувствительные элементы) 1 (1_x, 1_y, 1_z), ориентированные степенями свободы в направлении прямоугольных координат X, Y и Z, соответственно; фильтры нижних частот (ФНЧ) с корректорами амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) 2 (2_x, 2_y и 2_z); масштабирующие усилители 3 (3_x, 3_y и 3_z); блок питания 4; задатчики 5 (5_x, 5_y и 5_z) уставок и индикатор 8 (8_x, 8_y и 8_z) выхода контролируемого параметра за поле допуска.

Рис. 2.5.12

Конструктивно (cм. рис. 2.5.12) датчик включает кубический герметизированный корпус, в котором симметрично и соосно с корпусом размещены по трем взаимно перпендикулярным осям по два пьезоэлектрических трансформатора, закрепленные на стенках корпуса, а в центре – массивное тело по скользящей посадке.

Его характеристики представлены в табл. 2.5.1.

Таблица 2.5.1

Параметр	Численное значение	Единица измерений
Диапазон измеряемых ускорений	Q ≤±70	G;
Неравномерность АЧХ на: 0< f ≤100 Гц 100< f ≤1000 Гц 1000< f ≤2000 Гц	1,0 3,0 7,0	% % %
Точность задания уставок	5,0	%
Потребляемая мощность	P <2,0	Вт;
Масса	<120	г
Габариты	50×55	мм

Каждый пьезоэлектрический трансформатор включает пьезоэлемент 1 с общим электродом 2, входным 3 и выходным 4 электродами и массивное сферическое или кубическое тело 5, размещенное между трансформаторами по легкоходовой посадке. Он способен реагировать как на статические, так и на динамические нагрузки. Для повышения чувствительности трансформатор содержит несколько последовательно соединенных пьезоэлементов 1, геометрически размещаемых на одной оси через диэлектрические прокладки.

Акселерометр с пьезоэлектрическими трансформаторами на своих выходах, будучи установленным на оборудовании ТС или на транспортном средстве, генерирует аналоговые и цифровые сигналы, пропорциональные перегрузкам и вибрациям транспортного средства, а также сигналы предупреждения о выходе любого из контролируемых параметров за поле допуска, чем способствует предупреждению нештатных ситуаций.

По эпюрам векторов сил на выходах (рис. 2.5.13) акселерометра несложно задать уставки для ограничения работы ТС и выполнить диагностический анализ причин.

Рис. 2.5.13

Система для контроля вибраций генерирует на своих выходах 8 сигналы пропорциональные вибрациям объекта контроля, а также сигналы, на выходах 9, предупреждения о выходе контролируемых параметров по любой координате за поле допуска, чем способствует предупреждению нештатных ситуаций.