Пьезоэлектрический датчик: принцип действия, конструкция, область применения

1. Пьезоэлектрический датчик: принцип действия, конструкция, область применения.

Работа пьезоэлектрического датчика основана на прямом пьезоэлектрическом эффекте, а именно на преобразовании механической энергии в электрическую. Пьезоэлектрический эффект возникает из-за связи между электрическими и механическими свойствами материала, обычно – кристаллического.

Когда к пьезоэлектрику прикладывается механическое напряжение, он поляризуется в указанном направлении, и между его гранями появляется электрическая разность потенциалов. Величина механического напряжения, приложенного к кристаллу, прямо связана с величиной его деформации, а, следовательно, и с разностью потенциалов между его гранями. Это позволяет по измеренной величине напряжения узнать величину действующей на пьезокристалл силы.

Конструкция пьезоэлектрического датчика.

Рисунок 1.

Р - Измеряемое давление; 1- Пьезопластины; 2-Гайка из диэлектрика; 3-Электрический вывод; 4-Корпус (служащий вторым электрическим выводом); 5-Изолятор; 6-металлический электрод.

Область применения.

Пьезоэлектрические элементы идеальны при использовании в качестве электромеханических преобразователей. Они достаточно широко используются для изготовления пьезокерамических компонентов, узлов и устройств. Некоторые пьезокерамические элементы уже изначально могут выполнять функции компонента или узла (например, пластинчатые биморфы) и не нуждаются в дополнительной доработке. Все изделия, изготовленные на базе пьезокерамики, подразделяют на следующие основные группы: генераторы, датчики (сенсоры), актюаторы (пьезоприводы), преобразователи и комбинированные системы). Пьезокерамические генераторы Они преобразуют механическое воздействие в электрический потенциал, используя прямой пьезоэффект.

Примерами могут служить искровые воспламенители нажимного и ударного типов, применяемые в разного рода зажигалках и поджигающих системах, а также твердотельные батареи на основе многослойной пьезокерамики, применяемые в современных электронных схемах.

Пьезокерамические датчики преобразуют механическую силу или движение в пропорциональный электрический сигнал, то есть также основаны на прямом пьезоэффекте. В условиях активного внедрения компьютерной техники датчики являются незаменимыми устройствами, позволяющими согласовывать механические системы с электронными системами контроля и управления.

Выделяются два основных типа пьезокерамических датчиков: осевые (механическая сила действует вдоль оси поляризации, мода 33) и гибкие (сила действует перпендикулярно оси поляризации (мода 31)). В осевых датчиках в качестве пьезоэлементов используют диски, кольца, цилиндры и пластины. В качестве примеров можно привести датчики ускорения (акселерометры), датчики давления, датчики детонации, датчики разрушения и т.п.

Гибкие датчики строятся на основе последовательных (слои керамики имеют противоположную направленность поляризации) и параллельных (направленность поляризации слоев совпадает) пьезокерамических биморфов. Наиболее распространены датчики силы и ускорения.

Пьезокерамические актюаторы (пьезоприводы). Актюаторы строятся на принципе обратного пьезоэффекта и поэтому предназначены для преобразования электрических величин (напряжения или заряда) в механическое перемещение (сдвиг) рабочего тела. Актюаторы подразделяются на три основные группы: осевые (мода d33), поперечные (мода d31) и гибкие (мода d31). Осевые и поперечные актюаторы имеют еще общее название — многослойные пакетные, так как набираются из нескольких пьезоэлементов (дисков, стержней, пластин или брусков) в пакет. Они могут развивать значительное усилие (блокирующую силу) до 10 кН при управляющем напряжении 1 кВ, но при очень малых отклонениях рабочей части (от единиц нанометров до сотен микрон). Такие актюаторы также называют мощными.

Гибкие актюаторы (биморфы) развивают незначительную блокирующую силу при малых (сотни микрон) отклонениях рабочей части. Однако американской компании APC International Inc. удалось создать и выйти на рынок с новым типом пластинчатого биморфа — «ленточным актюатором» (зарегистрированная торговая марка). Ленточный актюатор может обеспечивать блокирующую силу 0,95 Н и величину отклонения 1,2 мм или отклонение до 3 мм и блокирующую силу 0,6 Н.

Гибкие актюаторы относятся к группе маломощных. К этой же группе будут относиться и перспективные осевые актюаторы, представляющие собой моноблок, изготовленный по технологии многослойной пьезокерамики.

Пакетные актюаторы могут производиться предприятиями, не связанными с производством пьезокерамики. Гибкие же и осевые актюаторы из многослойной керамики сами по себе являются пьезокерамическими элементами. Их могут производить только предприятия, владеющие технологиями и оборудованием для производства пьезокерамических элементов.

Пьезокерамические преобразователи предназначены для преобразования электрической энергии в механическую. Так же как и актюаторы, основываются на принципе обратного пьезоэффекта. Преобразователи в зависимости от диапазона частот подразделяются на три вида:

- звуковые (ниже 20 кГц) — зуммеры, телефонные микрофоны, высокочастотные громкоговорители, сирены и т.п.;

- ультразвуковые — высокоинтенсивные излучатели для сварки и резки, мойки и очистки материалов, датчики уровня жидкостей, дисперсионные распылители, генераторы тумана, ингаляторы, увлажнители воздуха. Значительной группой выделяются так называемые ультразвуковые измерители расстояния в воздушной среде (Air Transducers), являющиеся пьезокерамическими компонентами. Они используются в качестве измерителей расстояния для автотракторной техники, сенсоров наличия и движения в охранных системах, в уровнемерах, для дистанционного контроля и управления, в устройствах отпугивания птиц, зверей и сельскохозяйственных вредителей и т.д. Производятся устройства трех типов: передающие, приемные и приемо-передающие;

- высокочастотные ультразвуковые — оборудование для испытания материалов и неразрушающего контроля, диагностика в медицине и промышленности, линии задержки и т.д.

Комбинированные пьезокерамические системы. Такие системы преобразуют электрические величины в электрические, при последовательном использовании обратного и прямого пьезоэффектов. В качестве примеров таких систем можно привести эхолоты, измерители потоков, пьезотрансформаторы, «искатель ключа».

2. Особенности конструкции электромагнитного реле переменного тока; назначение короткозамкнутого витка.

              Магнитная система электромагнитов постоянного и переменного тока различная. У электромагнита постоянного тока относительно небольшой зазор d, а сам магнитопровод может быть выполнен из сплошного цельного куска электротехнической стали.

              У магнитов переменного тока система шихтованная, набранная из тонких листов электротехнической стали.

              Так как через катушку протекает переменный ток, то и магнитный поток Ф изменяет свое направление и в какие то моменты времени становится равным нулю. В этом случае противодействующая пружина будет отрывать якорь от полюсного наконечника и возникнет дребезг якоря. Для устранения этого явления используются либо многофазовые электромагниты, либо короткозамкнутое кольцо, которое устанавливается на расщепленной части полюсного наконечника. Так как у катушек переменного тока определяющим является индуктивное сопротивление, а оно зависит от индуктивности, то в первоначальный момент , когда рабочий зазор d максимален и индуктивность минимальна, ток якоря максимален, то есть имеется бросок тока через катушку. При минимальном зазоре, когда якорь соприкоснется с полюсным наконечником, индуктивность возрастет и ток возрастет.

              В электромагнитах переменного тока магнитное сопротивление зависит не только от , l, S сердечника, но и от потерь в стали и наличия короткозамкнутых обмоток, расположенных на сердечнике.

Катушка электромагнита постоянного тока выполняется достаточно высокой и тонкой, для улучшения условий охлаждения (потери мощности на постоянном токе только на чисто активном сопротивлении проводника).

              Катушка электромагнита переменного тока выполняется более низкой, т.к. кроме потерь мощности в активном и индуктивном сопротивлении катушки имеются потери мощности на перемагничивание сердечника.

              Как известно в электромагнитах переменного тока ток в обмотке сильно зависит от положения якоря. В клапанных элек­тромагнитах ток в притянутом состоянии в десятки раз меньше, чем при отпущенном якоре. Это затрудняет создание максимальных реле напряжения на базе клапанной системы, так как при напря­жениях, близких к напряжению срабатывания, через обмотку про­текает большой ток, выделяется мощность, в сотни раз превышаю­щая мощность в обмотке при притянутом якоре. Приходится сильно увеличивать габариты катушки, чтобы рассеивать большую мощ­ность, выделяемую при отпущенном якоре. Большим преимуществом реле серии ЭН является относительно небольшое изменение маг­нитной проводимости, в результате чего ток в обмотках мало ме­няется при повороте якоря. Это дает возможность иметь малые га­бариты обмоток.

Если отрывное усилие электромагнита будет РОТР, то дважды за период в точке А   якорь электромагнита будет от­падать, а в точке В — снова притягиваться, т. е. будет вибрировать с двойной частотой. Вибрация приводит к износу магнитной сис­темы и сопровождается гудением.

              Для устранения вибрации электромагни­ты переменного тока снабжаются короткозамкнутыми витками  из проводниковых материалов (медь, латунь), охватывающими часть полюса электромагнита (70 — 80%).

              Принцип работы витка заключается в следующем. Общий поток электро­магнита Ф разветвляется на поток Ф1, который проходит по не охваченной витком части полюса, и на поток Ф2, который проходит через часть, охва­тываемую короткозамкнутым витком. При этом в витке индуцируется ЭДС еК.З, и возникает ток iК.З., сдвинутый по отношению к еК.З. на угол и опре­деляемый весьма незначительной индуктивностью витка. Для упрощения принимаем = 0. Ток iК.З , возбуждает магнитный поток ФК.З., который охватывает короткозамкнутый виток и вместе с частью основного потока образует поток Ф2, проходящий через часть полюса, охваченную витком, и сдвинутый во вре­мени по отношению к потоку Ф1 на угол (рис.7, б и в).

Сила притяжения электромагнита Р складывается из двух пульсирующих, но сдвинутых во времени сил Р± и Р2. Благодаря сдвигу их во времени общая сила Р пульсирует много меньше и минимальное значение ее остается выше РОТР, чем и исключается вибрация якоря.

Наименее надёжным узлом электромагнитных реле является контактная система. Электрическая дуга или искра, образующиеся при размыкании и замыкании контактов, приводят к их быстрому разрушению. Этому также способ­ствуют окислительные процессы и покрытие контактных поверхностей слоем пыли, влаги, грязи. Существенным не­достатком электромагнитных реле является и наличие трущихся механических деталей, износ которых также сказывается на их работоспособности. Попытки разместить контакты и электромагнитный механизм в герметизирован­ном объеме с инертным газом не приводят к положительным результатам из-за больших технологических конструктивных трудностей, а также из-за того, что контакты при этом не защищаются от воздействия  продуктов износа и старения изоляционных материалов. Другим не­достатком электромагнитных реле является их инерцион­ность, обусловленная значительной массой подвижных де­талей. Для получения необходимого быстродействия при­ходится применять специальные схемы форсировки, что приводит к снижению надежности и росту потребляемой мощности.

3. Электрические исполнительные устройства. Принцип действия, назначение.

Исполнительный механизм (ИМ) представляет собой приводную часть исполнительного устройства.

Исполнительный механизм (ИМ) предназначен для перемещения регулирующего органа под воздействием сигнала от управляющего устройства.

По виду потребляемой энергии ИМ подразделяются:

- электрические;

- пневматические;

- гидравлические.

Наиболее часто применяются электрические и пневматические ИМ.

Электрические ИМ по принципу действия подразделяются на электромагнитные и электродвигательные.

Электромагнитные ИМ используют электромагниты серии ЭВ. Электромагниты типа ЭВ-1, ЭВ-2 (тянущий тип) и электромагнитный ЭВ-4 (толкающий тип) применяются в ИМ, рассчитанных на длительное обтекание их катушек электрическим током.

Возможные отказы в работе электромагнитных ИМ связаны с изменением сопротивления изоляции электрических цепей и катушек, нарушением регулировки блокировочных контактов, неисправностью выпрямителя, изменением напряжения (тока) срабатывания и отпускания электромагнитов, неисправностью механической части, что приводит к увеличению тока срабатывания и выходу из строя катушек.

Исправность механической части определяют при внешнем осмотре, при котором обращают внимание на мягкость хода, отсутствие заеданий и перекосов в подвижной системе, плотность прилегания якоря к ярму, отсутствие грязи на шлифованных поверхностях.

Электродвигательные ИМ, начиная с 1986 г., выпускаются промышленностью как однооборотные типа МЭО, применяемые для приводов заслонок, кранов, и многооборотные типа МЭМ, применяемые для управления запорными регулирующими органами (вентилями, задвижками).

Исполнительные механизмы однооборотные контактные типа МЭОК и бесконтактные типа МЭОБ состоят из электрических серводвигателей (трёхфазные асинхронные двигатели) с электромагнитным тормозом (МЭОБ) и блоком серводвигателей (БС). Блоки БС выпускаются в трёх исполнениях (рис1).

БС-1 содержит концевые и путевые выключатели (2 пары) и реостатный датчик для дистанционного указателя положения;

БС-2 содержит концевые и путевые выключатели (2 пары), реостатный датчик для дистанционного указателя положения и дифференциально-трансформаторный датчик обратной связи;

БС-3 – то же, что и БС-2, но устройство настройки дифференциально-трансформаторного датчика обратной связи допускает возможность установки «Люфта» хода его плунжера в пределах 20 – 100 % угла поворота выходного вала.