«Электрорадиоизмерения» (стр. 5 из 6)

Наименование термопары	ТермоЭДС при 100°С (t0 = 0°C), мВ	Верхний предел измеряемой температуры, °С
		при длительном применении	при кратковременном применении
Платинородий (90% Pt + 10% Ph) – платина	0,64	1400	1600
Медь – копель (56% Cu + 44%Ni)	4,75	350	500
Железо - копель	5,75	600	800
Хромель (90% Ni + 10% Cr) - копель	6,90	600	800
Хромель – алюмель (94,83% Ni + 2% Al + 2% Mn + 1% Si + 0,17% Fe)	4,10	1100	1250

Характеристики наиболее распространенных термопар приведены в табл. 5.1.

Характеристика платинородий-платиновой термопары не является линейной: при температуре 1600 °С эта термопара развивает термоЭДС, равную 16,76 мВ. Характеристики остальных термопар практически линейны.

Рис. 15 Принцип действия термоэлектрического преобразователя (термопары): а — схема образования термоЭДС; б — схема измерения термоЭДС; / - рабочий конец термопары; 2 - свободный конец термопары; А и В — проводники

2.7. Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрические преобразователи применяются для измерения: силы, давления, перемещения и количества вещества

Принцип действия пьезоэлектрических измерительных преобразователей основан на пьезоэлектрическом эффекте, т. е. возникновении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллических диэлектриков под действием механических сил или деформаций. При этом различают прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты.

Прямой пьезоэлектрический эффект состоит в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых диэлектриков и электрической поляризации внутри них под влиянием механических напряжений или деформаций. При исчезновении напряжений диэлектрик снова приходит в ненаэлектризованное состояние. Подобные диэлектрики называют пьезоэлектриками.

Обратный пъезоэффект заключается в том, что в пьезоэлектриках, помещенных в электрическое поле, возникают деформаций.

Наиболее сильно пьезоэлектрический эффект выражен у сегнетоэлектриков. Под сегнетоэлектриками понимают некоторые кристаллические вещества и поляризованные керамики, обладающие высокой диэлектрической проницаемостью и сильным пьезоэлектрическим эффектом. Типичным сегнетоэлектриком, нашедшим широкое применение, является сегнетова соль. В последнее время в измерительной технике используются такие сегнетоэлектрики, как титанат бария и фосфат аммония.

Кварц. Для измерений наибольшее применение получил кварц, у которого пьезоэлектрические свойства сочетаются с высокими механической прочностью и изоляционными качествами, а также независимостью пьезоэлектрической характеристики от температуры в широких пределах.

На рис. 16 показано расположение осей симметрии в кристаллах кварца: схема кристалла в изометрии (а); вид на кристалл сверху (б).

В кристаллах кварца различают следующие главные оси: продольная ось Z—Z, называемая оптической осью; ось X— X, проходящая через ребра шестигранной призмы перпендикулярно оптической оси, — электрическая ось; ось Y— Y, перпендикулярная граням, — нейтральная, или механическая ось.

Если из кристалла кварца вырезать параллелепипед таким образом, чтобы его грани а, b, с были параллельны электрической оптической и механической осям, то под влиянием сил, действующих перпендикулярно оптической оси, кристалл электризуется, причем заряды появляются на плоскостях, перпендикулярных электрической оси. При действии силы, направленной вдоль оптической оси, электризации кварца наблюдаться не будет.

Если на параллелепипед действует сжимающая сила F_x вдоль оси Х(продольный пьезоэффект —1), то вектор поляризации будет направлен по оси X. При этом интенсивность поляризации П будет пропорциональна деформации или в пределах упругих деформаций — давлению: П = d₁p_x = d_l(F_x/s_x), где d₁ — постоянный коэффициент, называемый пьезоэлектрической постоянной, или пьезоэлектрическим модулем; р_х, F_x — давление и сила, действующие на площадь грани bc; s_х-площадь грани bc. Тогда заряд q, возникающий на каждой из граней, перпендикулярных электрической оси X, согласно определению интенсивности поляризации можно рассчитать по формуле: q = Пs_x, или q = d₁ F_x.

Уравнения показывают, что величина зарядов, возникающих на гранях bс, при действии силы, направленной вдоль электрической оси, не зависит от геометрических размеров кристалла. Заряды, появляющиеся на гранях bс при сжатии кварца силой, направленной вдоль электрической оси, будут иметь противоположные знаки по сравнению с зарядами, возникающими на них при растяжении.

Если сжимающая сила F_r, действующая на кварц, направлена вдоль механической оси (поперечный пьезоэффект — 2), то заряды также возникают только на гранях bс, перпендикулярных электрической оси, однако направление вектора поляризации будет противоположным по сравнению с его направлением при продольном пьезоэффекте. На рис. 16, а F_z—F_z — сжимающая сила, направленная вдоль оси Z—Z.

Значение пьезоэлектрической постоянной кварца

d₁ = 2,1*10^-12 Кл/Н = 2,1*10^-11 Кл/кг.

Пьезоэлектрическая постоянная кварца d₁ практически не зависит от температуры в диапазоне от 0 до 470...500 °С.

Титанат бария. Он используется в качестве пьезоэлектрика и выполняется в виде керамики. Однако для того чтобы керамика титаната бария получила пьезоэлектрические свойства, ее надо поляризовать, т.е. подвергнуть воздействию постоянного электрического поля напряженностью от 20 до 30 кВ/см в течение примерно трех часов. Поляризацию керамики титаната бария производят обычно в направлении оси Z (риc. 17). Необходимо учитывать изменение свойств керамики титаната бария во времени, т. е. его старение.

В течение двух лет он снижает свои полезные качества примерно на 20 %.

Если механическая сила F действует по оси поляризации П, то заряды возникают на гранях, перпендикулярных направлению поляризации. При этом пьезоэлектрический модуль d₁ = 107*10^-12 Кл/Н, т.е. он примерно в 50 раз больше, чем У кварца. Диэлектрическая проницаемость е = 1240*10^-11 Ф/м, т.е. она примерно в 350 раз больше, чем у кварца.

Пьезоэлементы из керамики титаната бария обладают высокой механической прочностью, и на ее свойства не влияет влага. На практике большое значение имеет зависимость параметров керамики титаната бария от температуры. При температурах примерно -80, +10 и +120 °С титанат бария переходит из одной кристаллической структуры в другую, следовательно при этих температурах параметры (свойства) титаната бария претерпевают резкие изменения. Поэтому пьезоэлектрическая постоянная мало изменяется лишь в сравнительно узком температурном диапазоне: от -80 до 0 °С и от 15 до 100 °С.

Несколько лучшими температурными свойствами обладает титанат бария с присадкой титаната кальция (СаТiO₃) или титаната свинца (PbTiO₃). Например, присадка к титанату бария 12%-го титаната свинца позволяет сдвинуть точку структурного перехода от 120 до 180 °С.

Рис. 16 Расположение осей симметрии в кристаллах кварца:

а — схема кристалла в изометрии; б — вид на кристалл сверху; 1 — продольный пьезоэффект; 2 — поперечный пьезоэффект

Рис. 17 Поляризация

титаната бария

Рис. 18 Схема устройства пьезоэлектрического преобразователя

Преобразователь состоит: из двух пьезопластинок 1, расположенных так, чтобы их обращенные друг к другу грани имели заряды одного знака; из металлической прокладки 2; основания 3; нажимного устройства 4; изолятора 5; вывода 6. Под действием измеряемой силы F пьезопластины будут сжаты и на выводе 6 появится отрицательный потенциал, а на основании 3 положительный; отрицательный потенциал подается на сетку усилительной лампы.

Пример использования пьезоэлектрического преобразователя для измерения давления. Устройство пьезоэлектрического манометра для измерения давления в цилиндре двигателя внутреннего сгорания показано на рис. 19

Рис. 19 Пьезоэлектрический манометр для измерения давления в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания