Пьезоэлектрические преобразователи.

Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на использовании прямого или обратного пьезоэлектрических эффектов. Прямой пьезоэффект представляет собой способность некоторых материалов образовывать электрические заряды на поверхности при приложении механической нагрузки, обратный — в изменении механического напряжения или геометрических размеров образца материала под воздействием электрического поля.

В качестве пьезоэлектрических материалов используют обычно естественный материал — кварц, турмалин, а также искусственно поляризованную керамику на основе титаната бария ( ), титаната свинца ( ) и цирконата свинца ( ). Можно использовать и другие материалы. Из пьезоматериалов наиболее распространен кварц, что объясняется его удовлетворительными пьезоэлектрическими свойствами, очень высоким сопротивлением, стойкостью к воздействиям температуры и влажности, высокой механической прочностью. Пьезокерамика представляет собой продукт отжига спрессованной смеси, содержащей мелко раздробленные сегнетоэлектрические кристаллы. Характерным отличием сегнетоэлектриков является их доменная структура с хаотически ориентированными полярными направлениями доменов. Пьезоэлектрические свойства сегнетоэлектрическая пьезокерамика приобретает после поляризации в электрическом поле. Турмалин (в отличие от кварца) имеет не две, а одну пьезочувствительную плоскость — перпендикулярную к оптической оси . Благодаря этой особенности турмалин можно применять для измерения всестороннего давления, что делает его незаменимым при измерении давления в жидкостях. Наряду с преобразователями, в которых пьезоэлемент работает на сжатие—растяжение, применяются конструкции, в которых элемент работает на изгиб и сдвиг (рис. 28.27, а—в). Преобразователь, работающий на изгиб, представляет собой две одинаковые пластины, склеенные между собой. Между ними располагается металлическая фольга. При изгибе такого элемента одна пластина удлиняется, а другая укорачивается. В зависимости от схемы подключения обкладок можно получить либо сумму напряжений (рис. 28.27,а), либо сумму зарядов (рис. 28.27,6). Преобразователи, работающие на изгиб, более чувствительны по сравнению с преобразователями, работающими на сжатие. В то же время они уступают последним по прочности и диапазону частот.

Тепловые ИП.

Тепловыми называются преобразователи, принцип действия которых основан на использовании тепловых процессов (нагрева, охлаждения, теплообмена) и входной величиной которых является температура. Тепловые преобразователи широко применяют как преобразователи не только температуры, но и таких величин, как тепловой поток, скорость потока газа или жидкости, расход, химический состав и давление газов, влажность, уровень жидкости и т. п. При построении тепловых преобразователей наиболее часто используют такие явления, как возникновение термо-ЭДС, зависимость сопротивления вещества от температуры. Термоэлектрические преобразователи. Термоэлектрический преобразователь (термопара) представляет собой чувствительный элемент, состоящий из двух разных проводников или полупроводников, соединенных электрически, и преобразующий контролируемую температуру в ЭДС. Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на использовании термоэлектродвижущей силы, возникающей в контуре из двух разнородных проводников, места соединения (спаи) которых нагреты до различных температур (рис. 28.29, а). Знак и значение термо-ЭДС в цепи зависят от типа материала и разности температур в местах спаев. При небольшом перепаде температур между спаями термо-ЭДС можно считать пропорциальной разности температур

Если к термопаре подключить милливольтметр, то по значению термо-ЭДС можно определять температуру (рис. 28.29,6). Чтобы получить достоверные результаты, необходимо один спай термопары, называемый рабочим, поместить в среду с температурой , подлежащей измерению, а температуру других, нерабочих (холодных, свободных), спаев поддерживать постоянной. В качестве материалов для термопар используют различные драгоценные металлы (платину, золото, иридий, родий и их сплавы), а также неблагородные металлы (сталь, никель, хром, сплавы нихром, копель, аллюмель и др.). Важным фактором учета погрешностей при измерениях термопарами является введение поправок на температуру свободных концов термопары. При проведении ответственных измерений возможно термостатирование свободных концов термопары при 0°С. Однако в промышленных условиях термостатирование применять технически сложно и экономически нецелесообразно. Еще одна причина возможного возникновения погрешности — сопротивление измерительной цепи, состоящей из непосредственно термопары и соединительных проводов. В зависимости от назначения термопары делятся на погружные, предназначенные для измерения температуры жидких и газообразных сред, и поверхностные, предназначенные для из- измерения температуры поверхности твердого тела. В зависимости от инерционности различают термопары малоинерционные, тепловая постоянная времени которых не превышает 5 с для погружаемых и 10 с для поверхностных; средней инерционности— соответственно не более 60 и 120 с и большой инерционности, с тепловой постоянной до 180 и 300 с. К достоинствам термопар необходимо отнести возможность измерений в большом диапазоне температур, простоту устройства, надежность в эксплуатации. Недостатки — невысокая чувствительность, большая инерционность, необходимость поддержания постоянной температуры свободных спаев.

Параллельные АЦП.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устрой­ствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и гене­рируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для об­работки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами. АЦП этого типа осуществляют квантование сигнала одновремен­но с помощью набора компараторов, включенных параллельно ис­точнику входного сигнала.

С помощью трех двоичных разрядов можно представить восемь различных чисел, включая нуль. Необходимо, следовательно, семь компараторов. Семь соответствующих эквидистантных опорных напряжений образуются с помощью резистивного делителя.

Если приложенное входное напряжение не выходит за пределы диапазона от (5/2)h до (7/2)h, где h = — квант входного напряжения, соответствующий единице младшего разряда АЦП, то ком­параторы с 1-го по 3-й устанавливаются в состояние 1, а компарато­ры с 4-го по 7-й — в состояние 0. Преобразование этой группы ко­дов в трехзначное двоичное число выполняет логическое устрой­ство, называемое приоритетным шифратором. Подключение приоритетного шифратора непосредственно к выходу АЦП может привести к ошибочному результату при считы­вании выходного кода. Так как результаты АЦ-преобразования записываются, как пра­вило, в запоминающее устройство, существует вероятность полу­чения полностью неверной величины. Решить эту проблему мож­но, например, с помощью устройства выборки-хранения (УВХ). Некоторые интегральные микросхемы (ИМС) параллельных АЦП снабжаются сверхскоростными УВХ, имеющими время выборки порядка Благодаря одновременной работе компараторов параллельный АЦП является самым быстрым.