Электрические методы измерения давления

Рассмотренные выше методы не позволяют определить изменение давления во времени. С этой целью применяются электрические методы, основанные на использовании датчиков (преобразователей), которые под воздействием давления вырабатывают электрический сигнал или изменяют свои электрические характеристики. К первому типу относятся пьезоэлектрические и индукционные датчики, ко второму – ёмкостные, индуктивные и тензометрические.

Датчики, используемые во внутрибаллистических исследованиях должны обладать высокой чувствительностью, высокой собственной частотой колебаний, стабильностью характеристик, малыми габаритами и малой чувствительностью к температурным воздействиям. Наиболее полно указанным требованиям отвечают пьезо- и тензодатчики.

Работа пьезоэлектрических датчиков давления основана на использовании пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в способности некоторых материалов создавать электрические заряды на своих гранях при механическом нагружении.

Количественно пьезоэффект характеризуется пьезомодулем d, представляющим собой отношение величины заряда Q к приложенной силе F:

. (1.1)

Наибольшим пьезомодулем обладает сегнетова соль, титанат бария, кварц. Во внутренней баллистике широко используется кварц, обладающий высокой стабильностью характеристик и малой чувствительностью к температурным изменениям.

Величина пьезомодуля зависит от взаимного расположения граней кристалла и направления действия нагрузки. Матрица кубического пьезоэлемента содержит 18 пьезомодулей, которые обозначаются d_ij, где индекс i обозначает номер грани, на которой возникает заряд, а j - направление действия напряжения.

В таблице 1.2 приведены матрицы пьезомодулей для наиболее типичных структур распространенных материалов.

Таблица 1.2. Матрицы пьезомодулей.

Константы	Пьезоэлектрик (кварц)
dij (10^-12Кл/Н)	-2,31	+2,31		-0,67	0,67	4,62
Константы	Пьезокерамик (титанат бария)
dij (10^-12Кл/Н)	-0,78	-0,78

Для получения наибольшего пьезоэффекта кварцевая пластинка вырезается из монокристалла таким образом, чтобы наибольшая плоскость была перпендикулярна кристаллографической оси ОХ. Для увеличения чувствительности датчика его набирают из нескольких пластин.

Энергетическая эффективность пьезоэлектрических материалов характеризуется отношением вырабатываемой электрической мощности к приложенной механической мощности:

, (1.2)

где E – модуль упругости.

Величина показателя энергетической эффективности пьезоматериалов зависит только от его свойств и изменяется в довольно широких пределах. Параметры некоторых пьезоматериалов приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3. Характеристики пьезоматериалов.

Материал	d, 10^-12 Кл/Н	Е, 10^9 Н/м	e/e0	h2 , %	r, Ом/м	d, 10^3 кг/м^3	sдоп, 10^6 Н/м^2	qдоп, °С	b0=DSU/SU проц/К	h2/b0
Пьезокварц	2,3		4,5		10^12	2,65			0,01-0,02	0,5- 0,8
Керамика ЦТС					10^10	7,15			0,14-0,20	1,1

При выборе материала для пьезоэлектрического датчика давления особое внимание следует обращать на зависимость его чувствительности от температуры, обусловленную изменением практически всех параметров кристалла. Изменение чувствительности пьезокристалла с изменением температуры характеризуется температурным коэффициентом b₀, который измеряется в процентах изменения чувствительности датчика по напряжению при изменении температуры на один градус. Из таблицы 1.3 следует, что наименьшей чувствительностью к изменению температуры обладает кварц, что и обуславливает его широкое применение в датчиках давления, применяемых в баллистических исследованиях.

На рисунке 1.7 изображена схема кварцевого датчика давления. В корпус датчика 4 помещается поршень 1, воздействующий через промежуточную пластину 3 на пластины кварца 9, размещённые между винтом 7 и промежуточной пластиной. Напряжение снимается с обкладок пластины 8 при помощи электрода 6.

Рис. 1.7. Схема пьезодатчика давления:

1 – поршень; 2 – упор; 3 – пластины; 4 – корпус; 5 – изолятор; 6 – электрод;

7 – винт; 8 – обкладка; 9 – пластины кварца

Раньше пьезоэлектрические датчики использовались для исследования динамических процессов с характерной частотой до 150 кГц и, как правило, для исследования качественной картины явления. Это было обусловлено трудностью тарирования измерительного тракта и невозможностью применения статических методов тарировки. В настоящее время в связи с интенсивным развитием электроники пьезодатчики получили весьма широкое распространение.

На рисунке 1.8 показаны современные пьезокварцевые датчики давления, выпускаемые СКБ НТИИМ, основные характеристики которых не уступают датчикам, выпускаемым фирмами AVL и KISTLER, и имеют значения, приведенные в таблице 12.4.

Рис. 1.8. Датчики давления.

Таблица 1.4. Основные характеристики пьезодатчиков давления.

Тип датчика
Технические характеристики	2Т6000	Т2000	Т500	2Т1500	2Т1500	2Т1000	Т200
Диапазон измеряемых давлений, МПа
Чувствительность, пКл/МПа	³17	³50	³100	³35	³35	³30	³300
Нелинейность	£1%	£1%	£1%	£0,8%	£0,8%	£1%	£1%
Масса, г	£15	£15	£20	£15	£24	£13	£40

Конструкция датчика Т-500-1 приведена на рисунке 12.9.

Рис. 1.9. Конструкция пьезокварцевого датчика Т-500-1:

1 – стакан; 2 – втулка корпусная; 3 – пьезокристалл; 4 – мембрана; 5 – корпус; 6 – электрод; 7 – проводник; 8 – штифт контактный; 9 – втулка резьбовая; 10 – изолятор; 11 – изолятор

Процедура тарирования датчиков давления состоит в установлении соответствия между показаниями датчика и показаниями образцового средства измерения. Для тарирования пьезодатчиков применяются статический, квазистатический и динамический методы.

Наиболее распространенными средствами статического тарирования являются грузопоршневые гидравлические манометры МП2500 с пределом измерения давления до 250 МПа. Статическое тарирование заключается в подаче на датчик, помещенный в гидравлическую сеть грузопоршневого манометра ряда давлений и регистрации показаний, выдаваемых датчиком.

При квазистатическом тарировании на датчик с помощью того же грузопоршневого манометра подается ряд пилообразных импульсов давления, после сброса которых, регистрируется выходной заряд датчика.

Наиболее приближенным к реальным условиям измерения давления является динамический способ тарирования. Динамический импульс давления при этом создается с помощью копровых установок, ударное воздействие которых передается через поршень или в мембрану в объем, заполненный жидкостью, импульс гидравлического давления воспринимается несколькими датчиками, включая образцовое, с помощью импульса при выстреле из орудия с образцовым зарядом или за счет сжигания пороха в манометрической бомбе.

Пьезодатчик может выдавать напряжение до нескольких сотен вольт. Однако такие высокие напряжения практически не используются из-за больших утечек. Поэтому параллельно датчику обычно подключаются шунтирующие ёмкости, снижающие напряжение до 0,1 В.

Тензометрический датчик давления представляет собой конструкцию, имеющую упругий элемент, с наклеенным на него тензорезистором. Действие таких датчиков основано на преобразовании давления в деформацию упругого элемента и тензорезистора, приводящую к изменению сопротивления последнего.

Следует отметить, что тензометрические датчики получили очень широкое распространение в экспериментальных исследованиях, в частности в экспериментальной баллистике. Они применяются при измерении силовых факторов, деформаций, низкочастотных вибраций, перемещений и т.п. В настоящее время наибольшее распространение получили проволочные и фольговые тензорезисторы. Они представляют собой спираль (решётку), состоящую из нескольких петель тонкой проволоки или фольги, вклеенных между бумажными или лаковыми полосками и имеющих медные выводы (рис. 1.10).

При отсутствии воздействия давления сопротивление проволоки (фольги) определяется:

,

где r – удельное сопротивление проволоки,

s – площадь поперечного сечения проволоки,

l – длина проволоки.

Рис. 1.10. Проволочный тензорезистор

При воздействии на датчик напряжений, деформируется упругий элемент и наклеенный на него тензорезистор, в результате чего сопротивление последнего изменяется на величину DR:

,

где Dl – изменение длины проволоки,

m – коэффициент Пуассона.

В пределах упругих деформаций проволоки справедливо соотношение:

. (1.3)

Величина k называется коэффициентом тензор чувствительности и является константой материала тензорезистора и зависит от коэффициент Пуассона и величины удельного сопротивления, которое изменяется при деформации проводника. Это учитывается введением поправки на изменение удельного сопротивления m=Dr×l/r×Dl, которая для металлов мала по сравнению с k, а для полупроводников, напротив, много больше k. Тогда коэффициент тензочувствительности определится:

. (1.4)

Расчет тензорезистора при известных его размерах сводится к определению допустимой мощности рассеяния (допустимого значения тока) или, наоборот, – к определению его размеров, необходимых для обеспечения заданной мощности.

Для изготовления тензорезисторов применяются материалы, имеющие высокий коэффициент тензочувствительности и малый температурный коэффициент сопротивления, основные их характеристики приведены в таблице 1.5.

Таблица 1.5. Материалы, применяемые для изготовления тензорезисторов

Материал	Коэффициент тензочувствительности k	Модуль упругости E, ГПа	, мм^3/Дж	Коэффициент сопротивления, 1×10^-6/К	Коэффициент линейного расширения, 1×10^-6/K	Удельное сопротивление, мкОм×м	Термо-ЭДС в паре с медью, мкВ/К
Константан Нихром Никель	1,9-2,1 2,1-2,3 -12   (до 170)		0,04 0,05   (до 310)	±50 22	14-15   4,3	0,46-0,50 0,9-1,7 0,11 0,11	-40 +22 -22,6

Так как вызываемое деформацией изменение сопротивления тензорезистора мало, то для его измерения и последующей регистрации используется хорошо известная мостовая схема Уинстона (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Схема измерительного моста

Для исключения на выходе моста постоянной составляющей напряжения он должен быть уравновешен (сбалансирован), для чего необходимо выполнение условия:

.

В схему моста могут быть включены один, два, три или четыре рабочих тензорезистора. Напряжение на выходе предварительно сбалансированного моста при одном рабочем тензорезмсторе определяется по зависимости:

,

при двух рабочих тензорезисторах:

.

На рисунке 1.12 приведена схема тензодатчика давления ДДТ-1, упругий преобразователь которого состоит из мембраны 1 и упирающейся в неё балочки 2. Мембрана толщиной 0,2…0,8 мм воспринимает давление и передаёт усилие на предварительно изогнутую балочку. Рабочие тензорезисторы 3 наклеены по разным сторонам балочки.

Изменение температуры рассматриваемого датчика практически не сказывается на его работе, так как оба тензорезистора находятся в одинаковых температурных условиях.

Другим видом тензодатчиков является тензоманометр конструкции Шепетовского А.Я. и Кагаловского В.Э. (рис. 1.13), представляющий собой тонкостенную глухую трубку, на которую наклеены тензорезисторы. Он состоит из корпуса 1, рабочего 2 и компенсационного 3 тензорезистора и предохранительного колпачка 4. Полость корпуса заполняется маслом 5или крешерной мастикой и закрывается кожаной прокладкой 6 и крешерной мастикой. Измеряемое давление вызывает деформацию корпуса и рабочего тензорезистора 2, включенного в одно из плечей измерительного моста, компенсационный тензорезистор не испытывающий деформации включен в другое плече моста.

Рис. 1.12. Тензометрический датчик давления ДДТ-1: 1 – мембрана; 2 – упругая балка; 3 – тензорезисторы

Рис. 1.13. Тензоманометр

Дата добавления: 2014-01-07