це позволяет использовать их для исследования быстроизменяюшихся процессов. Для увеличения чувствительности датчика температуры в нем используется не одна, а несколько включенных электрически последовательно термопар.

на поверхности пьезоэлемента при его деформации, стекает.

Величина разности потенциалов, образующаяся между металлическими электродами, сжимающими пластинку, определяется выражением

Пьезоэлектрические датчики

Некоторые диэлектрики под действием механических напряжений или деформаций способны наэлектризовываться. При снятии механических усилий или деформаций диэлектрик снова восстанавливает свое нормальное состояние. Такие диэлектрики называются пьезоэлектриками, а сам эффект образования электрических зарядов в диэлектриках при механической деформации последних называется пьезоэффек-том.

Наиболее существенно пьезоэффект проявляется у кристаллов турмалина, кварца и сегнетовой соли. В последнее время получили распространение пьезоэлементы из поляризованной керамики титаната бария. Наиболее широко в качестве пьезоэлемен-тов используются пластинки, вырезанные определенным образом из кристаллов кварца и изготовленные из керамики титаната бария.

Пластинка может быть вырезана из кристалла таким образом, что при ее деформации образующаяся разность потенциалов пропорциональна величине упругих напряжений и не зависит от площади пластинки.

f/ = 6.

(19-23)

JP Электроды

Пьезоэлектрип

6} -

Рис. 19-16. Пьезоэлектрический датчик.

а - коиструктивиая схема; б - эк-вивалеитная схема.

Конструктивная схема пьезоэлектрического датчика приведена на рис. 19-16, а.

На рис. 19-16, б приведена эквивалентная схема пьезоэлектрического датчика, где / - результирующее сопротивление утечки (образуется из поверхностного и объемного сопротивлений пьезоэлемента датчика, сопротивления изоляции и входного сопротивления измерительной схемц) и С - суммарная емкость датчика (С=Сд -f Со). Через сопротивление R часть зарядов, .образуемых

Сд + Со

Где 6g-пьезомодуль, к/кг; (6 =2,1 10-

е=4.5 для кварца; 6=300- 10- , е =200 для керамики титаната бария; 6 = 107 10- , е = 1 300 для сегнетовой соли); Р - усилие;

Сд - емкость конденсатора, образуемого электродом в пластинкой;

Сц - входная емкость измерительной схемы.

Чувствительность датчика характеризуется величиной

(19-24)

Сд + Со

Она может быть повышена путем уменьшения емкости измерительной схемы.

Пьезоэлектрическим датчикам свойственны амплитудная, частотная и фазовая погрешности.

Амплитудная погрешность вызывается утечкой зарядов через сопротивление утечки R.

Частотной погрешностью пьезоэлектрического датчика можно практически пренебречь, если выполняется следующее неравенство:

С02/?2> 1.

(19-25)

Это неравенство может выполняться в двух случаях:

при сравнительно небольшой постоянной времени RC датчика, но при высокой частоте изменения со исследуемого процесса;

при исследовании низкочастотного процесса датчиком с большой постоянной времени RC.

Таким образом, пьезодатчики могут успешно использоваться при исследовании сравнительно высокочастотных процессов без особых ограничений по их постоянной времени RC.

Однако во всех случаях частота исследуемого процесса должна быть всегда значительно меньше собственной частоты механических колебаний кварцевой пластинки.

При использовании датчика для исследования низкочастотных процессов надо позаботиться о том, чтобы его постоянная времени RC с целью уменьшения частотной погрешности измерения была значительно больше периода изменения измеряемой величины.

Постоянную времени датчика предпочтительнее повышать, улучшая изоляцию пластин, герметизировать пьезоэлемент и т. п. Это увеличит сопротивление утечки R. Постоянную времени датчика можно повысить

также, увеличивая входную емкости измерительной схемы, но при этом уменьшится чувствительность датчика.

Фазовая погрешность возникает из-за того, что выходной сигнал пьезодатчика оказывается сдвинутым во времени (по фазе) относительно исследуемого воздействия. Величина этого сдвига определяется выражением

ф =-

arctg сйСД,

где ф- сдвиг фаз между выходным напряжением датчика и входным преобразуемым воздействием (деформацией пьезоэлемента). Фазовые искажения выходного сигнала

датчика уменьшаются с увеличением w, С

и R.

В целях уменьшения погрешностей выходное напряжение пьезодатчиков должно измеряться с помощью электронных вольтметров, имеющих большое входное сопротивление.

элементе, при действии ускорения за счет инерции отходит от другого, жестко укрепленного электрода. Ток через лампу в этом случае изменится в соответствии с действующим ускорением.

На рис. 19-17,6 показана схема устройства лампового датчика с внешним управлением, который может использоваться для измерений геометрических размеров и различного рода перемещений.

Наиболее чувствительными датчики этого типа получаются при выполнении их на базе триода с перемещаемой сеткой. Чувствительность таких датчиков достигает 20-30 кв/см.

Высокая чувствительность ламповых датчиков позволяет использовать их для измерения малых геометрических размеров и перемещений. Область допустимых перемещении электродов в ламповых датчиках может быть от единиц микронов до нескольких миллиметров. К недостаткам датчиков относится сравнительная сложность их конструкции и то, что для них требуются высокостабильные источники питания.

19-8. ЛАМПОВЫЕ ДАТЧИКИ (МЕХАТРОНЫ)

Действие ламповых датчиков основано на зависимости анодного тока электронной или ионной лампы от геометрических размеров и взаимного положения ее электродов.

Ламповый датчик представляет собой электронную лампу, отдельные электроды

Ускорение

19-9. РАДИАЦИОННЫЕ ДАТЧИКИ

Радиационные датчики основаны на использовании воздействия входной измеряемой величины на интенсивность проникающего излучения (а-, Р-, у-лучей и потока нейтронов).

Основными элементами радиационного датчика являются источник и приемник проникающего излучения. Простейшая схема датчика этого вида представлена на рис. 19-18. Работает он следующим образом.

Поток проникающего излучения, испускаемый источником, пронизывает испытываемый объект и попадает в приемник. Чем больше поглощение излучения в объекте, тем меньшая часть потока излучения попадет в приемник, тем меньше, следовательно, будет показание выходного прибора приемника. Величина поглощения проникающего излучения зависит от толщины объекта.

Рис, 19-17. Ламповые датчики.

а - внутреннего управления: б - внешнего управления.

которой могут смещаться один относительно другого под воздействием измеряемого внешнего воздействия.

Перемещение подвижного электрода лампы датчика может производиться как непосредственно под воздействием измеряемого усилия, например ускорения (ламповые датчики внутреннего управления), так и через эластичную часть баллона (ламповые датчики внешнего управления).

На рис. 19-17, а приведена схема лампового датчика внутреннего управления для измерения ускорений. Под действием ускорения датчик перемещается. Один из электродов датчика, укрепленный иа упругом

NUT

TZZZZZi

Рис. 19-18. Радиационный датчик.

/ - источник ядерного излучения: 2 - исследуемый материал: 3 - приемник излучения; й - индикатор.

плотности и однородности его материала. Если два из указанных параметров остаются постоянными, то по показанию выходного прибора приемника можно судить о величине третьего параметра.

в качестве источников излучения применяются искусственные радиоактивные вещества. Данные некоторых наиболее употребляемых изотопов приведены в табл. 19-3.

Таблица 19-3

Данные некоторых реактивных изотопов

Бериллий . Углерод . Натрий. . Кобальт . Стронций Цезий . . Европий Талий . . Полоний .

2,7-10 5720 2,6 6,3

15 2,7 0,4

Источниками альфа-излучения являются обычно элементы, находящиеся в конце таблицы Менделеева. Альфа-излучение представляет собой поток летящих с большой скоростью ядер гелия (альфа-частиц), образующихся в результате радиоактивного распада ядер источника излучения-

Всякое проникающее излучение характеризуется энергией, которой обладают частицы потока этого излучения. Чем больше энергия частиц, -тем больше проникающим оказывается такое излучение.Энергия излучений, применяемых в устройствах измерения неэлектрических величин, обычно составляет миллионы или тысячи электрон-вольт (мегаэлектронвольт или килоэлектронвольт). Так, например, при альфа-излучении энергия частиц может доходить до 5,3 Мэв. Пробеги альфа-частиц в воздухе 1 и исследуемом материале 1 могут быть определены из соотношений:

Zb = 0,138£3/2;

где Е-начальная энергия частиц, Мэв; Рв. Рм - плотность воздуха и материала; Zb. - средние атомные числа воздуха и материала. Длина пробега а -частиц в воздухе составляет несколько сантиметров, а в твердом материале - несколько микрон. Поэтому альфа-излучение применяется при анализе параметров газовой среды (газовом анализе): давления, расхода, плотности и т. п.

Бета-излучение образуется при превращении нейтронов ядер в протоны. При этом выделяются электроны (бета-частицы) и легкие нейтральные частицы - нейтрино. Таким образом, бета-излучение представляет собой поток электронов с непрерывным энергетическим спектром, начиная от весьма

малой до некоторой максимальной энергии, характерной для данного изотопа.

Зависимость между поглощением бета-излучения и параметрами поглотителя опре-деляетсн следующим выражением:

J=Joe~ , (19-26)

где J - интенсивность потока излучения, падающего на поглотитель и на выходе его; Им - массовый коэффициент поглощения, см/г; р - плотность поглотителя, г/см?; d -толщина поглотителя см.

Бета-частицы пробегают в газах несколько метров, а в жидких и твердых телах - несколько миллиметров.

Бета-излучение в основном используется в устройствах для измерения толщины, плотности или веса материалов. Гамма-излучение представляет собой поток электромагнитных импульсов (гамма-квантов). Образуется это излучение в результате сложных радиоактивных превращений.

Гамма-излучение в отличие от альфа- и бета-излучений сравнительно слабо поглощается веществом и может проникать в твердые тела на глубину до нескольких десятков сантиметров. Поэтому гамма-излучение используется в тех устройствах, где требуется прохождение излучения через сравнительно толстые поглотители.

В радиационном датчике излучение, прошедшее через исследуемый поглотитель, поступает в приемник. Приемники излучения преобразуют энергию поступившего ядерного излучения в электрические сигналы. В качестве приемников проникающего излучения используются: ионизационные камеры, пропорциональные счетчики, счетчики Гейгера - Мюллера, сцинтилляционные счетчики, кристаллические счетчики.

В первых трех видах приемников энергия ядерного .излучения непосредственно преобразуется в электрическую. В сцинтил-ляционных счетчиках используется явление люминесценции кристаллов некоторых веществ под воздействием альфа-, бета- и гамма-излучений. Возникающий при этом световой поток измеряется с помощью фотоэлемента (фотоэлектронного умножителя).

Действие кристаллических счетчиков основано на явлении возникновения проводимости в кристаллах некоторых веществ, при их облучении жесткими лучами (Y-лучами). В качестве примера на рис. 19-19 приведена схема распространенного приемника проникающего излучения - ионизационной камеры. Камера представляет собой, сосуд, заполненный газом. Внутри камеры помещается изолированный электрод.. Корпус камеры служит вторым электродом. К обоим электродам прикладывается напряжение. Под действием проникающего излучения газовая- среда в камере ионизируется, в результате по электрической цепи потечет ионизационный ток. Величина его будет зависеть от степени ионизации газовой среды.