Датчик давления пьезоэлектрический 014МТ

Обзор пьезоэлектрического датчика давления, основных принципов его работы. Технические характеристики, устройство датчика, сравнение с существующими патентными аналогами. Выявление достоинств и недостатков устройства. Описание принципиальной схемы.

Рубрика Производство и технологии
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 21.03.2016
Размер файла 617,9 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство Образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Пензенский Государственный Университет

Факультет приборостроения, информационных технологий и электроники

Кафедра "Приборостроение"

Пояснительная записка по курсовому проекту

Датчик давления пьезоэлектрический 014МТ

Проверил:

д.т.н., профессор Мурашкина Т.И.

Выполнил:

студент группы 12ПП1 Жидков А.С.

Пенза 2015

Реферат

В данном курсовом проекте был спроектирован обзор и принцип работы пьезоэлектрического датчика давления. Пояснительная записка содержит 24 листа, 2 рисунка, 5 таблиц и 1 приложение.

Принцип действия и назначение, технические характеристики датчика, устройство датчика, описание и принцип работы принципиальной схемы датчика, патентные аналоги.

Объектом исследования является датчик давления - пьезоэлектрический.

Цель работы: Обзор датчика, принцип его работы, сравнение с существующими аналогами, выявление достоинств и недостатков.

Содержание

Введение

1. Принцип действия и назначение датчика

2. Технические характеристики датчика

3. Устройство датчика

4. Требования к измерительной цепи и чувствительность пьезодатчика

5. Описание и принцип работыструктурной схемы датчика

6. Патентный поиск аналогов датчика

Заключение

Библиографический список

Введение

Датчик давления - это устройство, в котором выходные параметры зависят от давления исследуемой среды, будь то жидкость, газ или пар. Современные системы не могут обойтись без точных приборов этого типа, они используются в системах автоматизации различных отраслей: энергетика, пищевая промышленность, нефтяная и газовая отрасль и многие-многие другие.

Датчик давления состоит из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент - приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей, в том числе для герметичного соединения датчика с объектом и защиты от внешних воздействий и устройства вывода информационного сигнала.

По принципу преобразования давления в электрический сигнал датчики давления подразделяются на: тензометрические, пьезорезистивные, ёмкостные, индуктивные, резонансные, ионизационные, пьезоэлектрические.

1. Принцип действия и назначение датчика

Работа пьезоэлектрического датчика основана на физическом явлении, которое называется пьезоэлектрическим эффектом. Этот эффект проявляется в некоторых кристаллах в виде появления на их гранях электрических зарядов разных знаков при сжатии кристалла в определенном направлении. Слово "пьезо" по-гречески означает "давлю". В зависимости от значения силы сжатия (или растяжения) меняется количество зарядов, а следовательно, и разность потенциалов, замеренная между гранями. Пьезоэлектрические датчики относятся к генераторному типу. Широко известны пьезоэлектрические звукосниматели: игла звукоснимателя воспринимает все изменения глубины звуковой дорожки и передает их на пьезокристалл. Выходное напряжение с пьезокристалла усиливается, и через динамик мы слышим записанные звуки.

Появление зарядов на гранях в зависимости от сжатия называется прямымпьезоэффектом. Существует и обратный пьезоэффект: при подаче напряжения на грани кристалла изменяются его размеры (он сжимается или разжимается). Обратный пьезоэлемент нашел применение в ультразвуковых генераторах. А основанные на прямом пьезоэффекте пьезоэлектрические датчики используются в автоматике для измерения давлений, вибраций, ускорений, других параметров быстропротекающих процессов.

Датчик давления пьезоэлектрический предназначен для преобразования быстропеременного и импульсного давления в электрический сигнал и может быть использован для измерения этих параметров в гидро- и пневмосистемах машин и механизмов.

2. Технические характеристики датчика

Основные технические характеристики:

Диапазон измерения, кгс/см2 от10,2 до 102

Собственная частота, кГц не менее80

Нелинейность (СКО), % ±2

Электрическая емкость, пФне менее 1500

Сопротивление изоляции, Ом не менее 1010

Максимальное рабочее давление, кгс/см2306

Диапазон рабочих температур, ?С от -60 до +250

Габаритные размеры (без кабеля), ммне более O8,9х20

Масса (с кабелем), гне более5

3. Устройство датчика

1 - корпус; 2 - пьезоэлемент; 3 - кабель; 4 - ниппель.

Рисунок 1- Схема устройства пьезоэлектрического датчика давления

Пьезоэлемент выполнен в виде радиально поляризованного цилиндра 2 и жестко соединен с корпусом 1 тонкой клеевой прослойкой. Внешнее давление действует на торец и боковые поверхности корпуса, деформация которого передается на пьезоэлемент, генерирующий заряд, пропорциональный давлению. Информационный сигнал через кабель 3 поступает в систему обработки.

4. Требования к измерительной цепи и чувствительность пьезодатчика

При практически реализуемых значениях сопротивления датчика Ro (десятки и сотни МОм) и его емкостиС0 (десятки пФ) надо обеспечить очень большое входное сопротивление измерительной цепи. Для этого используются специальные электронные лампы, называемые электрометрическими. Электрометрические схемы могут обеспечить входное сопротивление измерительной цепи до 1013 Ом. Для увеличения постоянной времени разряда параллельно датчику иногда включают конденсатор. Применение измерительных цепей с очень большим входным сопротивлением позволяет снизить нижнюю границу частоты входных сигналов до нескольких герц.

Пьезоэлектрический датчик подобен электрическому конденсатору. Количество электричества q, появившееся под воздействием механической силы, заряжает грани пьезоэлемента и соединенные с ним проводники до напряжения U, определяемого как

пьезоэлектрический датчик давление

U=q/C,

Где С - емкость между проводниками (включая емкость пьезоэлемента).

Чувствительность датчика определяется как приращение выходного напряжения, соответствующее изменению силы F. При параллельном соединении пластин их емкость складывается. Чувствительность пьезодатчика в этом случае:

Sд=nK0/(Свх + С0n), (1)

где n - количество пластин;

К0 - пьезоэлектрический модуль материала пластины;

Свх - емкость измерительной цепи;

С0 - емкость одной пластины.

Емкость одной пластины датчика толщиной d и площадью s можно определить как емкость плоскопараллельного конденсатора:

Co=??os/d, (2)

где ?0- абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума;

?о=8,85*10-12Ф/м.

Емкость пьезоэлемента С на практике бывает невелика и выражается в пикофарадах (1 пФ=10-12Ф). Выходной сигнал пьезодатчика:

U=SДF, (3)

где F - измеряемая сила.

Заряженный до напряжения U конденсатор будет разряжаться через сопротивление датчикаR0 и сопротивление измерительной цепи Rвх. Для уменьшения скорости разряда необходимо стремиться к увеличению постоянной времени цепи разряда

Т= (R0/n + Rвх)х(nС0 + Свх).

5. Описание и принцип работы структурной схемы датчика

Рисунок 2 - Структурная схема датчика

Датчики 014МТ попарно монтируются с применением медной шайбы и втулки с резьбой М10х1 в элемент трубопровода с условным проходом от 25 до 200 мм за телом обтекания и регистрируют вихри, частота и количество которых пропорционально скорости потока и объемному расходу.

Внешнее давление действует на корпус датчиков, которые генерируют заряд, пропорциональный давлению. По кабелю от датчиков сигнал идёт к согласующему элементу. В качестве согласующего элемента может быть использован любой усилитель заряда. Усилитель заряда формирует выходное напряжение, пропорциональное изменениям зарядов датчиков. Сигнал с усилителя поступает в регистрирующий прибор, который регистрирует показания в форме, удобной для человеческого восприятия.

6. Патентный поиск аналогов датчика

Таблица 1 - Пьезоэлектрический датчик давления воздушных ударных волн

Описание

Принцип действия

Достоинства

Недостатки

1-Пьезоэлемент

2-Электроды

3-Корпус

4-Демпфер

5-Сквозное отверстие

6-Акустический волновод

7-Антивибрационный кабель 8-Электроразьем

9-Теплоизоляционный слой

http://www.freepm.ru/Models/51423

В момент прихода воздушной ударной волны происходит динамическое нагружениепьезоэлемента (1), которое вызывает деполяризацию пьезокерамики, из которой изготовлен пьезоэлемент (1), и возникновение между электродами (2) заряда. Этот заряд, величина которого пропорциональна не только действующему давлению, но также и собственным колебаниям сферического пьезоэлемента (1), передается через кабель (7) на электроразъем (8) и, далее, на согласующую и регистрирующую аппаратуру.

Повышенная точность измерения параметров импульсных давлений за фронтом проходящей ударной волны в воздухе, расширенный диапазон амплитуд и длительностей давления

Показания зависят от угла, под которым пьезоэлемент встречает фронт ударной волны

Таблица 2 - Пьезоэлектрический датчик давления на основе тонкопленочного пьезоэлемента и симметричной полосковой линии

Описание

Принцип действия

Достоинства

Недостатки

1-Чувств. элемент

2-Тонкопленочный пьезоматериал

3-Электроды

4-Полосковая линия

5-Плоскопараллельные проводники

6-Диэл. слои

7-Акустические волноводы

http://bd.patent.su/2262000-2262999/pat/servl/servlet74c1.html

В исследуемой конденсированной среде размещают пьезоэлектрический датчик так, чтобы вектор поляризации (показан маленькой стрелкой) ЧЭ был параллелен, а электроды ЧЭ соответственно перпендикулярны направлению распространения в этой среде механического импульса (плоской упругой или ударной волны), указанному на рисунке большими стрелками. С момента времени прихода плоской волны к ЧЭ датчик генерирует электрический сигнал за счет прямого пьезоэффекта. При этом заряд, генерируемый на электродах ЧЭ, прямо пропорционален давлению (механическому напряжению в указанном направлении) именно в пьезопленке.

Повышенная разрешающая способность и помехозащищенность

Характер изменения давления в пьезопленке зависит от степени акустического согласования датчика со средой.

Таблица 3 - Пьезоэлектрический датчик быстропеременного давления

Описание

Принцип действия

Достоинства

Недостатки

1-Основание

2-Корпус

3-Мембрана

4,5-Изоляторы

6,7-Рабочие пьезокерамические пластины

8-Биморфная пластина

9-Разъем

http://www.findpatent.ru/patent/221/2215275.html

Измеряемое пульсирующее или акустическое давление через мембрану 3 - передается на чувствительный элемент, выполненный в виде многослойного пакета, состоящего из пластин 6, 7 и центральной части пластины 8.Возникающий в результате прямого пьезоэффекта полезный электрический сигнал, равный сумме зарядов пластин 6, 7, 8, передается на выходной разъем 9. Под действием вибрации в пьезоэлектрических пластинах возникают паразитные электрические сигналы. При этом периферийная часть биморфной пластины 8 испытывает изгибные деформации и играет роль виброкомпенсирующего элемента, так как возникающие в ней заряды компенсируют заряды, возникающие в центральной части пакета.

Высокая чувствительность, низкая вибрационная погрешность, простота конструкции.

Вибрационная погрешность при поперечном направлении виброускорения

Таблица 4 - Датчик давления с резистивными обогревателями

Описание

Принцип действия

Достоинства

Недостатки

1-Корпус

2-Штуцер

3-Мембрана

4-Метал. участок

5-Неподвижная пластина

6-Входной встречно-шты-ревой преобразователь (ВШП)

7-Выходной ВШП

8-Крышка

9-Усилитель

10-Формирователь импульсов

11-Блок вычитания частот

12-Резистивный обогреватель

http://www.findpatent.ru/patent/221/2215275.html

Под давлением мембрана 3 деформируется и металлизированный участок 4 приближается к ВШП 6 и 7 первой линии задержки на неподвижной пластине 5. Начинается шунтирующее воздействие метал. участка 4 -он замыкает электрическое поле пьезоэлектрика в области расположения ВШП 6 и 7. В результате замыкания часть сигнала с выходного ВШП 7 передается на входной ВШП 6 через метал. участок 4. При этом изменяется фазовый набег в первой линии задержки на 5 и изменяется частота первого ПАВ-автогенератора. Так как частота второго ПАВ-автогенератора на второй линии задержки с ВШП 6 и 7 остается неизменной, то на выходе блока вычитания частот 11 получается разность частот, определяемая величиной давления.

Низкая температурная погрешность, повышенная точность измерений

Сложность конструкции

Таблица 5 - Пьезоэлектрический датчик давления с электроизоляционной оболочкой

Описание

Принцип действия

Достоинства

Недостатки

1-Корпус

2-Чувствительная мембрана

3-Пьезоэлемент

4-Токопроводящая поверхность

5-Оболочка

6-Сквозной паз по образующей цилиндра

7-Дополнительный датчик с корпусом

http://www.findpatent.ru/patent/206/2069373.html

Акустическая волна, распространяясь в окружающей среде, проходит через оболочку 5 и воздействует на стенку пьезоэлемента 3, вызывая упругие деформации сжатия, сдвига и изгиба. На внутренней и наружной токопроводящих поверхностях 4 пьезоэлемента возникают заряды противоположного знака, плотность которых пропорциональна величине деформации. В цепи пьезоэлемента развивается электродвижущая сила, которая через электровыводы 2 в корпусе 1 переходника подается на измерительный преобразователь.

Электроизоляция, защита от механических повреждений.

Низкая чувствительность, небольшой частотный диапазон.

Заключение

В процессе выполнения данного курсового проекта был проведен обзор пьезоэлектрического датчика давления, разобрано его устройство и принцип работы. Построен сборочный чертеж и деталировка.

Дополнительно был проведен поиск патентных аналогов датчика. Рассмотрены принципы их работы, достоинства и недостатки.

Библиографический список

1. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. "Пьезоэлектрические датчики" Техносфера, 2006.

2. http://www.piezoelectric.ru/files/8datchiki_davlenia.pdf

3. http://studopedia.ru/1_125608_pezoelektricheskie-datchiki.html

4. http://mash-xxl.info/info/767610

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Применение устройств для измерения давления, основанных на принципе пьезоэлектрического преобразования. Принцип получения сигнала. Характеристика устройства датчика избыточного давления Yokogawa EJA430 на приеме нефтеперекачивающей станции ЛПДС "Торгили".

    курсовая работа [941,1 K], добавлен 25.12.2012

  • Технология проведения монтажных работ, настройка и калибровка датчика давления Метран-150-CD. Принцип действия и способы устранения неисправностей датчика. Ремонт и обработка прибора, корректировка его с помощью настроечного механизма водосчетчика.

    отчет по практике [190,4 K], добавлен 18.04.2015

  • Регулирование и контроль давления пара в паровой магистрали для качественной работы конвейера твердения. Стабилизация давления с помощью первичного преобразователя датчика давления Метран-100Ди. Выбор регулирующего устройства, средств автоматизации.

    курсовая работа [318,8 K], добавлен 09.11.2010

  • Понятие давления как физической величины. Типы, особенности устройства датчиков давления: упругие, электрические преобразователи, датчики дифференциального давления, датчики давления вакуума. Датчики давления, основанные на принципе магнетосопротивления.

    реферат [911,5 K], добавлен 04.10.2015

  • Обоснование приборов и устройств автоматического контроля и регулирования экстрактора противоточного типа. Выбор датчика давления в теплообменнике, расходомера, датчика температуры, регуляторов, уровнемера. Спецификация на выбранные средства измерения.

    курсовая работа [831,3 K], добавлен 06.03.2011

  • Характеристика автоматизированной системы управления – транспортного устройства передвижения поддонов с датчиками давления для турбонасосных агрегатов. Анализ конструкции, описание ее работы в автоматическом режиме, схемы, описывающие работу устройства.

    отчет по практике [1,0 M], добавлен 13.06.2011

  • Назначение и область применения, конструкция и принцип действия индукционного датчика угла с подвижной катушкой. Вывод формул для определения величины и крутизны выходного сигнала, технические данные датчика, его погрешности, достоинства и недостатки.

    курсовая работа [498,9 K], добавлен 17.10.2009

  • Проектирование и конструирование пьезоэлектрического насоса для микрожидкостного устройства. Моделирование перистальтического пьезонасоса. Создание действующего макета. Испытание элементов насоса. Измерение резонансных частот, выходного давления.

    дипломная работа [3,9 M], добавлен 22.10.2016

  • Общее описание приборов. Измерение давления. Классификация приборов давления. Особенности эксплуатации Индивидуальное задание. Преобразователь давления Сапфир-22-Еx-М-ДД. Назначение. Устройство и принцип работы преобразователя. Настройка прибора.

    практическая работа [25,4 K], добавлен 05.10.2008

  • Расчет вала на изгиб и сечения балки. Разработка конструкции узла механизма. Выбор кинематической схемы аппарата. Описание предлагаемой конструкции. Расчет геометрических параметров пружины. Расчет погрешности механизма датчика для второго положения.

    курсовая работа [2,0 M], добавлен 24.12.2011

  • Канал регулирования соотношения компонентов топлива и суммарного расхода. Метод измерения комплексного сопротивления мостовой измерительной схемы датчика расхода топлива. Разработка схемы электрической принципиальной, ее описание. Расчет усилителей.

    дипломная работа [1,5 M], добавлен 13.11.2015

  • Материальный баланс процессов в рабочем пространстве рекуперативного нагревательного колодца. Выбор датчика давления, преобразователя, исполнительного механизма, пускателя, блока ручного управления, регистратора и программируемого логического контроллера.

    курсовая работа [1,2 M], добавлен 14.07.2012

  • Принципы работы датчиков перемещения предметов, их практическое применение. Бесконтактная связь между элементами в устройствах. Разработка конструкции датчика и технического процесса сборки измерительной систем. Редактирование габаритных размеров датчика.

    курсовая работа [525,2 K], добавлен 06.11.2009

  • Назначение, свойства, устройство и конструкция измерительного преобразователя для измерения давления на выходе внешнего датчика, его преобразования в цифровой сигнал и вывода полученного сигнала на ЖКИ. Общая характеристика основных видов манометров.

    курсовая работа [1,1 M], добавлен 28.09.2010

  • Принцип работы устройства для измерения давления фундамента на грунт. Анализ устройства по законам развития технических систем. Энергетическая и информационная проводимость. Статическая модель технического противоречия на основе катастрофы типа сборка.

    курсовая работа [1,1 M], добавлен 04.11.2012

  • Построение технологической схемы объекта автоматического регулирования. Выбор датчика уровня жидкости в емкости, пропорционального регулятора, исполнительного механизма, электронного усилителя. Расчет датчика обратной связи, дискретности микроконтроллера.

    курсовая работа [1,7 M], добавлен 20.10.2013

  • Состав локальной системы автоматического управления (САУ). Выбор термоизмерительного датчика давления. Расчет датчика перемещения обратной связи локальной системы управления. Выбор усилителя мощности, двигателя, редуктора. Расчет передаточной функции САУ.

    курсовая работа [1,1 M], добавлен 20.10.2013

  • Выбор элементной базы локальной системы управления. Выбор датчика угла поворота, двигателя, редуктора, усилителя, реле и датчика движения. Расчет корректирующего устройства. Построение логарифмической амплитудной частотной характеристики системы.

    курсовая работа [710,0 K], добавлен 20.10.2013

  • Структура первичных преобразователей. Радиоволновые извещатели охраны периметров. Датчик-устройство, воспринимающее внешние воздействия. Оптимальное соотношение метрологических и надежностных характеристик датчика для данных условий измерений.

    контрольная работа [1,5 M], добавлен 30.10.2008

  • История компании "Роснефть", ее основные виды деятельности, конкурентные преимущества. Общая характеристика компрессорной станции. Контрольно-измерительные приборы и аппаратура, схема их работы и основные технические характеристики, модернизация датчика.

    контрольная работа [41,3 K], добавлен 04.12.2012

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.