Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические датчики (рис. 1.48) используются в сельскохозяйственной автоматике при измерении усилий, давлений, вибраций, для ориентации машин и в других случаях.

Рис. 1.48. Пьезоэлектрические датчики:

а, б – пьезоэлемент, работающий на сжатие, и его схема включения;

в, г – элементы, работающие на изгиб; д – элемент, работающий на сдвиг

В них используется пьезоэлектрический эффект, сущность которого заключается в том, что под действием приложенного усилия на гранях некоторых кристаллов (кварца, титаната бария, турмалина, сегнетовой соли и др.) появляются электрические заряды (прямой пьезоэффект). При внесении пьезоэлемента в электрическое поле он деформируется (обратный пьезоэффект). В пьезоэлементах различают три оси: оптическую Z и перпендикулярные к ней электрическую (пьезоэлектрическую) Х и механическую У. При действии силы Р вдоль оси Х (сжатие или растяжение), на гранях, перпендикулярных к оси X, возникают разнополярные электрические заряды Q (продольный пьезоэффект). При действии силы вдоль оси У на тех же гранях также возникают разнополярные электрические заряды (поперечный пьезоэффект). При действии силы вдоль оси Z пьезоэффект отсутствует. Знаки зарядов определяются направлением силы Р (растяжение или сжатие).

Количественно пьезоэффект оценивается пьезомодулем k ₀:

при продольном пьезоэффекте: k ₀ = Q_хlP_х;

при поперечном пьезоеффекте:

Пьезоэлемент представляет собой пластину кристалла 1 с обкладками 2 на гранях f_x (см. рис. 1.48, а). Напряжение между обкладками 2 при отсутствии нагрузки и без учета емкости измерительной схемы (см. рис. 1.48, б):

,

где e – диэлектрическая постоянная материала пластины;

d – толщина пластины.

Промышленностью освоен выпуск пьезоэлементов на базе кварца и турмалина (ТБ-1, ТБК-3, ТБКС, НБС-1, ЦТС-19, ЦТС-23, ЦТБС-1, ЦТБС-3).

Выпускаются пьезоэлементы, работающие на изгиб (см. рис. 1.48, в, г) и на сдвиг (см. рис. 1.48, д). Пьезоэлемент, работающий на изгиб, состоит из двух одинаковых, склеенных между собой балок или пластинок 1, между которыми находится металлическая фольга 2.

При соответствующей поляризации элементов можно получить либо сумму напряжений (см. рис. 1.48, б), либо сумму зарядов (см. рис. 1.48, г). Пьезоэлементы, работающие на сдвиг, выполняют в виде колец 1, в которые вклеен внутренний электрод 2, вклеенных во внешний электрод 3. При такой конструкции пьезоэлементы обладают малой боковой чувствительностью.

Если приложенная сила Р_х постоянна, то с течением времени (t ®¥) происходит стекание заряда и напряжение на выходе изменяется по экспоненциальному закону. Поэтому пьезоэлектрические элементы применяют в основном для измерения усилий, изменяющихся с частотой выше 15 кГц.

Выходное напряжение их обычно невелико, поэтому в системах автоматики они используются с усилителями.

На рис. 1.48, е показан пьезоэлектрический преобразователь системы автоматического вождения зерноуборочных комбайнов по бровке нескошенного хлеба. В стержневом корпусе 1 установлены пьезоэлементы в виброзащитных блоках из резины. Их воспринимающие части 2 в виде игл с одним или несколькими зубьями выступают на величину до 1 мм через отверстия в корпусе. Механические колебания воспринимающей части 2 вызывают появление механических напряжений в пьезоэлементе, вследствие которых возникает пропорциональная им ЭДС на основе пьезоэффекта. Преобразователь устанавливается на левом полевом делителе жатки комбайна под углом j_д к продольной оси комбайна на высоте примерно 0,6 высоты растений.

11. Фотоэлектрические датчики

Широкое применение при автоматизации различных производственных процессов находят фотоэлектрические устройства, преобразующие световой поток в электрический сигнал. В настоящее время выпускают три вида таких преобразователей: с внешним фотоэффектом (вакуумные или газонаполненные, рис. 1.49, а); с внутренним фотоэффектом (фотосопротивления, рис. 1.49, б) и вентильные (полупроводниковые, рис. 1.49, в).

Основными характеристиками фотоэлементов являются:

– световая – зависимость фототока от освещенности I _ф = f (Ф) (рис.1.49);

– спектральная – зависимость чувствительности S _l от длины волны l падающих лучей S _l =f (l);

– вольт-амперная – зависимость фототока от величины напряжения, поступающего на фотоэлемент I _ф =f (U);

– частотная – зависимость чувствительности от частоты изменения светового потока.

Рис. 1.49. Фотоэлектрические датчики

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом (рис. 1.49, а) представляют собой вакуумную или газонаполненную лампу, на внутреннюю стенку которой нанесен фоточувствительный слой, являющийся катодом. Под действием светового потока в катоде возникают свободные электроны, которые под действием электрического поля перемещаются к аноду, создавая внутри фотоэлемента ток (фототок).

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (рис. 1.49, б) представляют собой фотосопротивления (фоторезисторы), принцип действия которых состоит в том, что свободные электроны, образующиеся под действием светового потока в слое светочувствительного проводника 2, остаются (перераспределяются) в веществе, резко изменяя его сопротивление. Светочувствительный материал наносится на изоляционную подложку 3 и сверху покрыт защитной тонкой прозрачной лаковой пленкой 1. Наиболее часто применяются сернисто-кадмиевые (ФС-К), сернисто-свинцовые (ФС-А), сернисто-висмутовые (ФС-Б) и селенисто-кадмиевые (ФС-Д) фоторезисторы.

Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом (рис. 1.50, в) работают на использовании явления, происходящего в переходе р – п под воздействием светового потока. Они состоят из металлического основания 5, выполняющего роль нижнего электрода, слоя полупроводника 4, запирающего слоя 3, полупрозрачного слоя металла 2 и контактного кольца 1.

На рис. 1.50, д показан фотоэлектрический преобразователь бровки нескошенного хлеба, применяемый в системах автовождения комбайнов. При движении комбайна бровка находится между источником инфракрасного излучения и приемником 2. Электрический сигнал на выходе приемника 2 пропорционален толщине слоя растений между излучателем и приемником. Выходной сигнал приемника 8, расположенного выше растений, не зависит от смещения бровки и используется для компенсации влияния общей освещенности в поле на сигнал приемника 2. В качестве приемников 2 и 3 используют фоторезисторы. Недостатком преобразователя является то, что при изменении плотности хлебостоя или его высоты формируются ложные сигналы.

На рис. 1.50, е показано трехпозиционное оптическое устройство обнаружения бровки нескошенного хлеба для автоматического направления самоходного зернового комбайна. Оно содержит источник света 3 и два фоторезистора 1 и 2, которые при движении комбайна расположены по обе стороны бровки.

В устройстве обнаружения рядка растений системы автовождения пропашного агрегата (рис. 1.50, ж) при отклонении агрегата в сторону поворачиваются жестко связанные с ним и между собой источники света 1, 2 и фотосопротивления 3, 4. При этом луч света между соответствующим источником и приемником перекрывается растениями рядка и на выходе усилителя 5 или 6 изменяется сигнал, вызывающий срабатывание исполнительного механизма 7 или 8. Такое устройство может быть использовано, когда растения обладают достаточной высотой, чтобы перекрывать луч между источником и приемником, расположенными над почвой.

Дата добавления: 2015-07-25