﻿26. Генераторные преобразователи
В генераторных измерительных преобразователях в отличие от параметрических выходной величиной является э.д.с., возникающая в результате действия входной величины. К числу генераторных относятся пьезоэлектрические, индукционные и термоэлектрические преобразователи.

7.3.1. Пьезоэлектрические преобразователи
Действие пьезоэлектрических преобразователей основано на явлении пьезоэффекта, который возникает в результате взаимосвязи между электрическими и механическими свойствами некоторых диэлектрических материалов, называемых пьезоэлектриками. различают прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты.
Прямой пьезоэффект проявляется в поляризации диэлектриков и возникновении на их поверхности электрических зарядов под влиянием механических напряжений и исчезновении зарядов после снятия внешней нагрузки.
Обратный пьезоэффект заключается в изменении формы и геометрических размеров пьезоэлектриков, помещенных в электрическое поле.
Способность различных материалов к пьезоэффекту характеризуется пьезоэлектрической постоянной  Кпэ, численно равной величине заряда (в кулонах), возникающего при действии внешней силы в 1 ньютон. Наиболее сильно пьезоэлектрический эффект выражен у сегнетоэлектриков – кристаллических веществ с аномально высокой диэлектрической проницаемостью и аномально большими значениями Кпэ. К ним относятся сенетова соль, кварц, турмалин, а также синтетические поликристаллические вещества, выпускаемые в виде поляризованной керамики – титанат бария, дигидрофосфат аммония, цирконат-титанат свинца и др. 
Сегнетова соль (С4Н4О6КNa) обладает наибольшей пьезоэлектрической чувствительностью (Кпэ ≈ 300·10 -12 Кл/Н), однако отличается повышенной гигроскопичностью и низкой механической прочностью.
Кварц (SiO2) характеризуется пьезоэлектрической постоянной Кпэ = 2,1·10-12 Кл/Н, практически не меняющейся при температуре до 500 оС, а также хорошими механическими свойствами.
Пьезоэлектрические свойства керамики титаната бария (ВаTiO3) определяются ее составом (наличием примесей) и технологией изготовления. Значение Кпэ составляет приблизительно 107·10-12 Кл/Н и не меняется при повышении окружающей температуры до 120 оС. Керамика обладает высокой механической прочностью и не подвержена воздействию влаги.
Цирконат- титатат свинца Pb (ZrTi)O3, метаниобат свинца-бария (PbBa)Nb2O6 и некоторые другие искусственные пьезоэлектрические материалы обладают столь же ярко выраженным пьезоэффектом, сохраняющимся при более высокой (до 150-200 оС) температуре. Ценным свойством керамики является возможность изготовления из нее преобразователей любой формы в соответствии с решаемыми исследовательскими задачами.
Рассмотрим на примере кристалла кварца основные соотношения  для пьезоэлектрических преобразователей. В кристалле кварца (рис.7.11) представляющем собой гексагональную призму, выделяют следующие кристаллографические оси: оптическую (продольную) ось z, электрические оси х, проходящие через ребра кристалла нормально к оптической оси, и механические (нейтральные) оси y, нормальные к граням кристалла.

 
Рис.7.11. Схема кристалла кварца:
а – общий вид; б – поперечное сечение

Если из кристалла кварца вырезать пластинку в форме параллелепипеда с гранями a, b и c, параллельными главным осям, то под влиянием внешних сил, направленных перпендикулярно оптической оси, пластинка будет поляризоваться: на плоскостях, перпендикулярных к оси x, появятся электрические заряды. Под действием силы, направленной вдоль оптической оси, электризации пластинки не происходит.
Упрощенно явление пьезоэффекта можно объяснить нарушением электрического равновесия кристаллической решетки при ее деформации под действием внешней силы.
Пьезоэлектрический эффект характеризуется линейной зависимостью между интенсивностью поляризации и деформацией (а в пределах упругих деформаций – давлением). Поэтому при действии на кварцевую пластинку однородной растягивающей силы Fx, направленной вдоль электрической оси x, интенсивность поляризации 
                                 П = Кпэ px = Кпэ   ,                                                        ( 7.36 )
где px – давление на грань ac пластинки; Sx – площадь грани ac.
Величина электрических зарядов, возникающих на каждой из граней, перпендикулярных к электрической оси:
                                     q = П Sx = Кпэ Fx                                                                                            ( 7.37 )
При противоположном направлении действующей на пластинку силы Fx  знаки зарядов, возникающих на грани  ac, меняются на обратные.
Пьезоэффект, проявляющийся при действии механической силы вдоль электрической оси, называется продольным. Величина возникающих при этом зарядов, определяется лишь значением силы и не зависит от размеров пластинки.
Если внешняя сила действует на пластинку вдоль механической оси, то заряды возникнут снова на гранях ac, перпендикулярных электрической оси, однако знаки зарядов будут противоположными по отношению к рассмотренным выше случаям. Например, при действии однородной растягивающей силы Fy  вдоль оси  y интенсивность поляризации будет определяться выражением
                                      П = –  Кпэ py = –  Кпэ     ,                                          ( 7.38 )
где py – давление на грань bc;  Sy – площадь грани bc.
Величина зарядов на каждой из граней ac
                                     q = П Sx = – Кпэ Fy = – Кпэ Fy                                ( 7.39 )
При действии однородной сжимающей силы Fy вдоль оси y знаки зарядов на гранях ac изменятся на противоположные.
Пьезоэффект, проявляющийся при действии внешней силы вдоль механической оси, называется поперечным. Величина зарядов, которые возникают в этом случае, определяется не только значением силы Fy, но и геометрическими размерами пластинки. Эту особенность обычно используют для повышения чувствительности пьезоэлектрических преобразователей.
В тех случаях, когда внешняя сила направлена под углом к электрической или механической оси, а также когда грани пластинки не параллельны главным осям кристалла, величина возникающих зарядов будет меньше, чем в рассмотренных случаях.
Поскольку величина зарядов меняется в соответствии с действующей силой, пьезоэлектрические преобразователи могут быть применены для измерения динамических нагрузок, деформаций, перемещений и т.п. Широкое распространение они нашли в акустической эхолокации и других областях, связанных с изучением особенностей распространения упругих колебаний, где используются в качестве излучателей и приемников.

7.3.2. Индукционные преобразователи
Принцип действия индукционных преобразователей основан на явлении электромагнитной индукции, которая возникает при движении катушки в магнитном поле, создаваемым постоянным магнитом или электромагнитом. При изменении магнитного потока Ф, сцепленного с витками катушки, в ней индуцируется э.д.с.

                                                    e = – w    ,                                                  ( 7.40 ) 
где w – число витков катушки.
Таким образом, входной величиной X индукционного преобразователя является скорость линейных или угловых перемещений.
По принципу действия индукционные преобразователи подразделяются на две группы. В преобразователях первой группы (рис.7.12, а) сопротивление на пути магнитного потока остается постоянным, а изменение индуцированной э.д.с. определяется перемещением катушки 2 и магнита 1 относительно друг друга:
 
                  e = – Bl  = – B π d w . = Sk  ,                    ( 7.41 )

где B – индукция в воздушном зазоре магнита; l = π d w – активная длина обмотки катушки; Sk = – B π d w – чувствительность катушки.
В преобразователях второй группы катушка 2 и магнит1 неподвижны, а величина индуцированной э.д.с. определяется изменением магнитного потока в результате изменения сопротивления магнитной цепи. Это изменение осуществляет кольцо 3 (рис.7.12, б) или якорь 4 (рис.7.12, в) из ферромагнитного материала, связанные с изучаемым объектом.
                                                               
                                                        
Рис.7.12. Индукционные преобразователи первой (а) 
и второй (б, в) групп 

При расчете индуцированной э.д.с. в преобразователях второй группы необходимо учитывать переменную составляющую, обусловленную изменением сопротивления магнитной цепи. Действительно, при изменении сопротивлении магнитной цепи от  Rм  до 
Rм +ΔRм  магнитный поток изменяется на величину
                                      ΔФ =  ,                                                    ( 7.42 )
где F – магнитодвижущая сила магнита.
Учитывая, что при периодическом изменении магнитного потока действующее значение его переменной составляющей равно ΔФ/2√2 , величину индуцируемой в катушке э.д.с. можно рассчитать как 
e = – ω wФ = ,         ( 7.43 )                                              
где ω – круговая частота магнитного потока;  Sк = –   –  чувствительность катушки.
Из формул (7.41) и (7.43) следует, что чувствительность индукционного преобразователя может быть повышена путем увеличения числа витков катушки. Однако при этом возрастает сопротивление катушки, что может затруднить согласование преобразователя с измерительной схемой; увеличивается масса и размеры преобразователя; возрастает реакция поля катушки, что приводит к развозбуждению преобразователя и уменьшению его чувствительности.

7.3.3. Термоэлектрические преобразователи 
(термопары)
Принцип действия термопары поясняется рис.7.13, а, где изображена термоэлектрическая цепь, составленная из двух разнородных проводников А и В. Точки 1 и 2 соединения проводников называются спаями термопары. Если температуры t спаев 1 и 2 одинаковы, то ток в термоэлектрической цепи отсутствует. Если же температура одного из спаев (например, спая 1) выше, чем температура спая 2, то в цепи возникает термоэлектродвижущая сила (ТЭДС) Е, зависящая от разности температур спаев
                                                  Е = f (t1 – t2)                                                          ( 7.44 )
Если поддерживать температуру спая 2 постоянной, то
                                                 Е = f (t1)                                                                 ( 7.45 )


 
 
Рис7.13. Термоэлектрические цепи

Эту зависимость используют для измерения температуры с помощью термопар. Для измерения ТЭДС электроизмерительный прибор включают в разрыв спая 2 (рис. 7.14,    б). Спай 1 называют горячим (рабочим) спаем, а спай 2 – холодным (концы 2 и 2´ называют свободными концами).
Чтобы ТЭДС термопары однозначно определялась температурой горячего спая, необходимо температуру холодного спая поддерживать всегда одинаковой. При не очень точных измерениях ограничиваются измерением температуры воздуха вблизи измерительного прибор. При  точных холодный спай помещается в тающий лед, чем обеспечивается постоянство температуры, равной 0 оС.
Термопары образуются соединением следующих проводящих материалов: медь-константан (предельная измеряемая температура 400 оС), железо-константан (700 оС), никель-нихром (900 оС), платинородий- платина (1300 оС) и др. Максимальная развиваемая стандартными термопарами ТЭДС составляет от единиц до десятков милливольт.
В зависимости от конструкции термопары могут иметь тепловую инерцию, характеризуемую постоянной времени от единиц секунд до нескольких минут, что ограничивает возможность их применения для измерения быстро меняющихся температур.

