ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 Тема: «Определение основных параметров генераторных датчиков» Цель: Исследовать принцип действия пьезоэлектрического датчики, научиться рассчитывать параметры и строить статическую характеристику пьезоэлектрического датчика. Перечень оборудования: 1. персональный компьютер; 2. вольтметр; 3. текстовый процессор MS Word. Рекомендации при подготовке к работе Перед выполнением работы необходимо изучить теоретический материал по теме «Датчики» [1, с. 43…68], [2, с. 61…96], [3, с. 60…108] и ответить на следующие вопросы: 1) Что измеряют пьезоэлектрические датчики? 2) Конструкция и принцип действия пьезоэлектрических датчиков. 3) Какими достоинствами и недостатками обладают пьезоэлектрические датчики? 4) Какой вид имеет статическая характеристика пьезоэлектрических датчиков? 5) Как графически найти коэффициент передачи? Краткие теоретические сведения Пьезоэлектрические датчики применяются для измерения сил, давления, вибраций и других силовых воздействий. Конструкция пьезоэлектрического датчика представлена в соответствии с рисунком 5. 1 – пластины из пьезоматериала; 2 – электроды Рисунок 5 – Конструкция пьезоэлектрического датчика Пьезоэлектрический преобразователь давления представляет собой пластину из кварца, на две её грани нанесены электроды 2, с которых снимается заряд или напряжение. Для увеличения сигнала, поступающего с преобразователя, часто пластины-шайбы из пьезокерамики компонуют в столбик. Работа пьезоэлектрического датчика основана на пьезоэффекте, сущность которого заключается в том, что на гранях некоторых кристаллов при их сжатии или растяжении (давления Р) появляются электрические заряды. К достоинствам пьезоэлектрических датчиков можно отнести: - простота конструкции; - малые габариты и стоимость; - высокая надёжность; - измерение быстропеременных величин; - отсутствие источника питания. К недостаткам пьезоэлектрических датчиков можно отнести: - низкая чувствительность; - не измеряет статические величины; - высокое выходное сопротивление измерительной цепи; - относительно малая выходная мощность, т.е необходимость промежуточных усилителей. Задание Снять значение выходного напряжения при действии механической нагрузки на пьезоэлектрический датчик. Определить силу, действующую на пьезоэлектрический датчик; чувствительность (коэффициент передачи) датчика; построить статическую характеристику датчика Uвых=f(F). Исходные данные для расчёта: - материал чувствительного элемента датчика кварц; - относительная диэлектрическая проницаемость материал чувствительного элемента датчика ε = 4,5; - размер граней чувствительного элемента датчика D = 10 мм; - толщина чувствительного элемента датчика d = 1 мм; - пьезомодуль kп = 2,31∙10-12 Кл/Н - напряжение выхода Uвых = 2В. Проанализировать проделанную работу. Экспериментальная схема представлена в соответствии с рисунком 6. Рисунок 6 - Экспериментальная схема Источник питания отсутствует, т.к. пьезоэлектрический датчик BQ является генераторным и сам вырабатывает электрический заряд. Выходной напряжение Uвых снимают с электродов датчика с помощью вольтметра PV. Порядок выполнения расчёта Собрать экспериментальную схему, представленную в соответствии с рисунком 6. В ненапряжённом состоянии в пластине кварца все заряды скомпенсированы, она является электрически нейтральной, и вольтметр PV покажет ноль. При сжатии (растяжении) пластины кварца с силой F на её противоположных гранях образуются разнополярные электрические заряды, и вольтметр покажет некоторое значение выходного напряжения. Результаты измерений записать в таблицу технических и экспериментальных данных. По значению этого напряжения можно определить силу сжатия (растяжения), параметры и характеристики датчика. Выходное напряжение пьезоэлектрического датчика (на электродах, без нагрузки) Uвых, В, определяется по формуле (7) где Q – величина заряда на гранях пластины пьезоэлектрического материала и электродах, Кл; Сп – ёмкость пластины пьезоэлектрического материала, Ф. Величина заряда на гранях пластины Q, Кл, определяется по формуле (8) где kп – коэффициент пропорциональности пьезоэлектрического материала - пьезомодуль, Кл/Н; F – сила, действующая на пластину, Н. Подставив формулу (8) в формулу (7) и выразив силу F, Н, действующую на пластину, получим Ёмкость пластины Сп, Ф, определяется по формуле (9) где εа – абсолютная диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрического материала, Ф/м; ε – относительная диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрического материала; ε0 – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, 8,85∙10-12, Ф/м; S – площадь граней пластины, м2; d – толщина пластины, м. Площадь пластины с гранью в виде круга S, м2, определяется по формуле (10) где – математическая константа, 3,14; R, D – радиус и диаметр круга, м. Площадь платины с гранью в виде прямоугольника S, м2, определяется по формуле (11) где a, b – стороны прямоугольника, м. Статическая чувствительность (коэффициент передачи) датчика s, В/Н, определяется по формуле (12) По результатам вычислений построить статическую характеристику датчика Uвых=f(F) Оформить отчет по лабораторной работе.
