В пьезоэлектрическом методе измерение давлений сводится к измерению электрических зарядов. Пьезоэлектрические заряды очень малы по величине и способны утекать при недостаточной изоляции пьезоэлементов от окружающих проводников.
Поэтому при измерении пьезоэлектрических зарядов применяются специальные способы и приборы, обеспечивающие сохранение электрических зарядов в процессе измерений и высокую точность измерений. По этой же причине для изоляции пьезоэлемента и проводников, отводящих от него заряды, применяются изоляционные материалы с большим удельным сопротивлением и ничтожной гигроскопичностью; к ним относятся янтарь, полистирол, плавленый кварц и др.
В первых образцах пьезоиндикаторов, предназначенных для измерения давлений пороховых газов, электрические заряды измерялись непосредственно при помощи баллистического гальванометра, струнного электрометра или электронно-лучевой трубки. Однако эти способы не давали удовлетворительной точности вследствие значительных потерь электрических зарядов.
Успешное развитие пьезоэлектрического метода началось с применением для измерения электрических зарядов специальных электрометрических ламп. В России серия таких ламп разработана инженером В. М. Царевым. Основной особенностью этих ламп является исключительно высокая степень изоляции управляющей сетки по отношению к другим электродам лампы. Сопротивление изоляции сетки достигает 1014– 1015 ом, т. е. имеет величину такого же порядка, как и сопротивление кварца. С помощью электрометрических ламп практически удалось сделать очень малыми потери электрических зарядов при их измерении, а измерение электрических зарядов свести к измерению электрического напряжения или тока при помощи усилителя и осциллографа.
Этот принцип измерения электрических зарядов в настоящее время составляет основу электрической схемы пьезоэлектрических приборов для измерения давлений пороховых газов.
В упрощенном виде электрическая схема пьезо-индикаторов изображена на фиг.6. Основными элементами этой схемы являются: пьезоманометр, электронный усилитель и регистрирующее устройство. Принцип действия этой схемы в общих чертах состоит в следующем.
Измеряемое давление р, действуя на поршень манометра, сжимает кварцевый пьезоэлемент К с силой F, равной произведению давления на площадь сечения поршня. Под действием силы давления на активных гранях пьезоэлемента возникают пропорциональные давлению электрические заряды противоположного знака. Электрические заряды сосредоточиваются на металлических обкладках, плотно прилегающих к активным граням пьезоэлемента.
Фиг.6
Положительный заряд нейтрализуется заземлением соответствующей обкладки, а равный ему отрицательный заряд используется в качестве меры, определяющей величину измеряемого давления. С этой целью отрицательный заряд подается по хорошо изолированному и экранированному проводнику к электронному усилителю. Последний большей частью осуществляется в виде двухкаскадного усилителя постоянного тока с входной электрометрической лампой Л1 и второй – усилительной лампой Л2.
Отрицательный заряд q от пьезоманометра заряжает входную емкость усилителя С и создает на управляющей сетке потенциал,равный U = - q/С и изменяющийся пропорционально давлению на поршень. Величина потенциала сетки электрометрической лампы может регулироваться путем изменения емкости конденсатора С к, включаемого для этого параллельно пьезоэлементу. Вместе с емкостью остальных элементов входной цепи электрометрической лампы конденсатор С к образует входную емкость пьезоиндикатора.
При помощи конденсатора С к можно изменить чувствительность пьезоиндикатора и масшаб кривой давления, регистрируемого пьезоиндикатором. Поэтому конденсатор С к часто называют масштабным. Отрицательный потенциал, создаваемый на сетке электрометрической лампы, управляет анодным током этой лампы. С увеличением давления отрицательный потенциал сетки увеличивается и соответственно этому уменьшается анодный ток в лампе Л1. Под влиянием этого уменьшается падение напряжения на анодном сопротивлении R1, что в свою очередь уменьшает отрицательный потенциал управляющей сетки второй лампы усилителя.
Возрастание потенциала на сетке усилительной лампы приводит к увеличению тока в ее анодной цепи и, следовательно, к увеличеннию падения напряжения на выходном сопротивлении R2 усилителя. В результате на выходе усилителя получается напряжение, необходимое для приведения в действие регистрирующего устройства пьезоиндикатора.
Рассмотренный процесс работы усилителя отвечает периоду нарастания давления. В периоде спадания давления отрицательный заряд на пьезоэлементе уменьшается и соответственно этому выходное напряжение усилителя уменьшается. При этом как в периоде нарастания, так и в периоде убывания давления напряжение на выходе электронного усилителя получается во много раз больше разности потенциалов, создаваемой на его входе усилителя электрическим зарядом от пьезоманометра.
Усилитель рассчитывается так, чтобы между напряжениями на его входе и выходе существовала линейная зависимость. Это достигается соответствующим выбором параметров схемы усилителя (сопротивления Rк, R3, R4, R5) и режима работы ламп.[3]
Наряду с основными элементами, показанными в принципиальной схеме, пьезоиндикатор обычно включает ряд вспомогательных приспособлений для получения на осциллограмме отметок моментов начала воспламенения пороха, начала движения снаряда в канале ствола, момента вылета снаряда из канала ствола и моментов прохождения снаряда через блокировочные устройства. Такие приспособления делают пьезоиндикатор универсальным прибором, позволяющим производить комплексные измерения при изучении процессов явления выстрела.
Техническое использование пьезоэлектрических свойств кварца для целей измерения давления пороховых газов связано с выполнением ряда требований, вытекающих из физики явления пьезоэффекта. Общие и вместе с тем главнейшие требования состоят в том, что схема и конструкция пьезоиндикатора должны:
1) обеспечивать правильную передачу давления на кварцевый пьезоэлемент;
2) точно воспроизводить процесс преобразования давления в электрические заряды;
3) предохранять последние от различных видов утечки;
4) не вносить искажений при преобразовании пьезозаряда в другие электрические величины и при последующем осциллографировании этих величин.
Этим требованиям подчинены все элементы пьезоиндикатора и прежде всего пьезоманометр и электронный усилитель.
Тензометрический метод
Сущность метода
Тензометрический метод измерения давления основывается на свойстве некоторых проводников и полупроводников изменять при деформации свое омическое сопротивление электрическому току.
Схематически метод измерений состоит в следующем. Проводник или полупроводник, используемый для измерения давления и называемый омическим датчиком, включается в специальную электрическую цепь, в которой устанавливается вполне определенный режим, отвечающий начальному сопротивлению датчика. При действии давления датчик получает деформации, вследствие которых происходит изменение его сопротивления, и соответственно этому происходит изменение параметров электрической цепи: напряжения и силы тока. Изменение одной из этих величин регистрируется при помощи шлейфового или катодного осциллографа. В результате получается кривая, изображающая в некотором масштабе давление, действующее на омический датчик, в функции времени. С помощью таражной зависимости, представляющей собой связь между показаниями измерительной схемы и известными нагрузками на датчик,
полученная кривая преобразуется в кривую действительных значений переменного давления в исследуемом объекте.
Начало применения омических датчиков для измерения быстроизменяющихся давлений пороховых газов в канале артиллерийского
оружия было положено лишь в 1920–1923 гг. членами КОСАРТОП (Комиссия особых артиллерийских опытов) проф. П.Я. Сольдау и В.В. Базилевичем.
В результате исследований они обосновали возможность измерения динамических давлений по величине изменения электрического сопро тивления проводников и полупроводников и дали принципиальную схему измерений давления пороховых газов при помощи омических датчиков. Эта схема измерений составляет существо современного тензометрического метода измерения давления в орудиях.
Долгое время указанная схема не могла быть полностью технически реализована ввиду отсутствия надежных способов регистрации малых и быстропротекающих изменений сопротивления омических датчиков. С развитием электро-радио-техники тензометрический метод вновь возродился и благодаря работам советских ученых и инженеров прочно вошел в практику измерений в различных областях техники.
Типы омических датчиков
Омические датчики в зависимости от материала, из которого они изготовлены, разделяются на проводниковые и полупроводниковые.
Проводниковыми называются датчики, изготовленные из металлической проволоки с относительно высоким удельным сопротивлением. В качестве материала для проволоки употребляются преимущественно сплавы: константан, манганин, элинвар, нихром и др.
Датчик представляет собой отрезок проволоки, наклеенной на полоску тонкой бумаги толщиной 10–25 мк в виде нескольких частых плоских петель длиной от 5 до 25 мм. Длина петли называется базой датчика. Диаметр проволоки в зависимости от назначения датчика выбирается от 20 до 50 мк. Длина проволоки устанавливается из расчета, чтобы начальное сопротивление датчика составляло 100-250 ом при работе со шлейфовым осциллографом и 500–1000 ом– катодным осциллографом. Для удобства присоединения к измерительным приборам к концам проволоки датчика привариваются более толстые выводные проводники.
Проволочный датчик прочно приклеивается бумажной стороной к исследуемой детали так, чтобы направление проволочных петель датчика совпадало с направлением измеряемой деформации детали. Проволочные датчики приклеиваются к исследуемой детали при помощи бакелитового и карбинольного клея или при помощи специальных цементирующих составов. При деформации детали проволока датчика получает продольные деформации, и вследствие этого происходит изменение сопротивления датчика. По изменению сопротивления датчика судят о деформации детали и о величине силы, вызывающей эту деформацию.
Для измерения деформаций при повышенных температурах (до180 градусов) применяют тензометры, изготовленные на бакелитовом лаке
или пленке клея БФ-2. В последнее время стали применять тензометры, изготовленные из тонкой фольги, на которой часть металла удалена травлением так, что оставшаяся его часть образует решетку с выводами. Перед травлением на фольгу наносят светочувствительную эмульсию, затем на ней контактным способом с негатива делают отпечаток решетки, проявляют, окрашивают и дубят (делают стойким к травильной кислоте). Затем на обратную сторону фольги наносят слой лака и полимеризуют его. После этого фольгу травят, получая таким образом решетку из фольги, прикрепленную к пленке из фольги и лака. Особенно удобны утолщенные выводы таких тензометров для приваривания (припаивания) выводов.
При измерении гидростатических давлений часто применяется проволочный датчик в виде многослойного спирального кольца диаметром 5–10 мм и толщиной 2–3 мм, намотанного из манганиновой проволоки диаметром 0,03–0,05 мм и длиной 1–3 м при общем электрическом сопротивлении порядка 500–1000 ом. Проволока имеет эмалевое покрытие и двойную или одинарную шелковую обмотку, навитую поверх эмали. Намотка делается бифилярной, чтобы устранить влияние самоиндукции проволочной спирали. Кольцо обматывается тонкой шелковой нитью для упрочнения его и для уничтожения перемещения витков относительно друг друга. Готовое кольцо подвергается термическому старению при температуре
100–125°С для частичного снятия внутренних напряжений, возникающих в проволоке при ее намотке в спираль.
При гидростатическом сжатии кольцевого датчика его сопротивление меняется соответственно давлению среды. Это изменение сопротивления служит мерой измеряемого давления.
Полупроводниковыми называются омические датчики, изготовленные из твердых полупроводников – веществ, оказывающих значительно большее сопротивление электрическому току, чем металлы или их сплавы. Ранее твердые полупроводниковые датчики изготовлялись из мелкотертого угольного или графитового порошка и цементирующего вещества (гипса или каолина), смесь которых прессуется под большим давлением и затем прокаливается. Такие датчики в отличие от проволочных называют угольными.
В полупроводниках тензорезистивный эффект необычно велик. Оптимальный тензорезистивный эффект зависит от физического состояния в области температур, близких к комнатной, т.е. от типа материала, его удельного сопротивления или степени легирования, кристаллографической ориентации.
Для применения в тензодатчиках наиболее удобны тонкие нити из кремния р–типа с удельным сопротивлением 0,1 ом × см., а также n– и р– германий.
Полупроводниковые преобразователи могут быть применены взамен обычных проволочных тензодатчиков в тех случаях, когда очевидным преимуществом является их более высокая чувствительность, а также для измерения деформации, когда проволочные тензодатчики неприменимы.
Теория твердых полупроводниковых тензометров имеется в спе-
циальной литературе.
