Traductoare capacitive

Traductoare capacitive

La traductoarele capacitive, marimea de intrare este o deplasare liniara sau unghiulara, iar marimea de iesire este o capacitate electrica. Un astfel de traductor este de fapt un condensator, a carei capacitate este data de relatia:

    [F] (3.13.)

in care:

   este permitivitatea electrica a vidului

[F/m]

   - permitivitatea electrica relativa a materialului dintre placi;

S - suprafata de suprapunere a armaturilor (placilor), in m²;

- distanta dintre armaturi, in m.

Traductoarele capacitive sunt traductoare pasive, necesitand o sursa electrica de alimentare.

Daca se noteaza capacitatea C_o care corespunde conform relatiei (3.13.) la o distanta initiala dintre placi si se modifica distanta capacitatea se modifica cu , exprimata de relatia:

care mai poate fi exprimata si sub forma variatiei relative de capacitate:

    (3.14.)

Din relatia 3.14. se remarca faptul ca traductorul nu da o convertire proportionala. Abaterile de la neliniaritate sunt foarte mici, mai ales cand deplasarea relativa este foarte mica.

Traductoarele capacitive au sensibilitate foarte mare si posibilitati de adaptare si de utilizare in diverse conditii. Principalul dezavantaj consta in rezistenta proprie mare, datorita careia traductoarele capacitive se pot conecta numai la aparate cu rezistenta mare de intrare, ceea ce duce la cresterea influentei campurilor electrice perturbatoare asupra rezultatelor masurilor. Rezultatele masurarii sunt mult influentate si de prezenta accidentala a lichidelor cu constanta dielectrica e > 1 dintre care uleiul si in special apa () sunt cele mai greu de evitat, ceea ce face ca traductoarele capacitive sa fie putin utilizate in constructia unor captoare pentru masurarea marimilor.

Din grupa traductoarelor energetice, cele mai utilizate sunt traductoarele: electrodinamice, termoelectrice, piezoelectrice si fotoelectrice.

Traductoarele electrodinamice functioneaza pe principiul generarii prin inductie a unei tensiuni intr-un conductor situat perpendicular pe liniile de forta ale unui camp de inductie si care se deplaseaza intr-o directie perpendiculara pe cea a liniilor de forta si a sa proprie (fig. 3.5.). Tensiunea generata la bornele bobinei este:

in care:

B este densitatea fluxului, in gaussi;

- lungimea conductorului din camp magnetic, in cm;

- viteza relativa a bobinei fata de campul magnetic, in cm/s.

Fig. 3.5. - Principiul traductoarelor electrodinamice

Astfel de traductoare se folosesc curent pentru masurarea directa a vitezelor.

Traductoarele termoelectrice sunt denumite si termocuple si se folosesc la masurarea temperaturii. Functioneaza pe principiul aparitiei unei tensiuni electromotoare (denumita si termoelectromotoare) intr-un circuit compus din doua conductoare din materiale diferite si care la unul din punctele de jonctiune se incalzeste, iar la celalalt se mentine, la o temperatura constanta (0, 20 sau 50^oC). Marimea tensiunii electromotoare depinde de diferenta de temperatura a punctelor de jonctiune ale conductoarelor termocuplului.

Traductoarele piezoelectrice se bazeaza pe proprietatea pe care o au anumite materiale, denumite materiale piezoelectrice, de a genera o sarcina electrica atunci cand sunt supuse unei solicitari mecanice. De exemplu, o pastila dintr-un astfel de material ( fig. 3.6.) solicitata la compresiune sub actiunea fortelor F se polarizeaza electric, incarcandu-se la suprafata cu o sarcina electrica. Materialele piezoelectrice pot genera tensiuni electrice relativ mari. De exemplu, pentru un efort unitar ce produce o deformatie specifica , un material piezoelectric caracteristic poate da nastere la o tensiune electrica de 0,2 V.

Fig. 3.6. - Principiul traductoarelor piezoelectrice

Materialele piezoelectrice pot fi: cristale naturale (de exemplu cuartul), materiale cristaline sintetice (de exemplu, fosfatul diacid de amoniu) si materiale piezoceramice polarizate (de exemplu titanatul de bariu). La materialele cristaline naturale si sintetice relatia dintre efortul unitar aplicat si sarcina electrica generata depinde de simetria cristalului, de directia efortului unitar aplicat si de locul de plasare a electrozilor. La materialele piezoelectrice polarizate, relatia dintre efortul unitar aplicat si sarcina electrica generata depinde de directia si marimea polarizarii induse, de directia efortului unitar aplicat si de locul de plasare a electrozilor.

Materialele piezoceramice polarizate au o constanta dielectrica ridicata si o mare sensibilitate, de aceea pot fi utilizate si pentru masurarea unor eforturi unitare mici (sau unor marimi care creeaza aceste eforturi unitare) si pe perioade de timp mai lungi decat cristalele piezoelectrice. Datorita acestor factori precum si usurintei de fabricare si costului redus, materialele piezoceramice polarizate (in particular titanatul de bariu) sunt larg aplicate in constructia captorilor cu traductoare piezoelectrice (pentru masurari de forte, presiuni, vibratii etc.).

Relatia dintre forta aplicata si sarcina electrica generata de catre traductorul cu discuri din material piezoelectric (fig. 3.7.) utilizata pentru determinarea caracteristicilor captorilor este:

[C]

in care:

q  este sarcina electrica generata de ambele discuri;

d₃₃   - constanta piezoelectrica a materialului in C/N (de exemplu, pentru titanatul de bariu C/N);

F  - forta aplicata asupra discurilor piezoelectrice, in N.

Fig. 3.7. - Schema captorului cu traductor piezoelectric.

Constanta piezoelectrica, reprezinta raportul dintre sarcina electrica si efortul unitar aplicat. Indicii 33 se refera la cazul discului piezoelectric ceramic supus unei forte de compresiune (sau de intindere) in directia campului electric creat (adica perpendicular pe electrozii metalici). Pentru alte situatii se schimba constanta d₃₃ cu una din constantele d_ij, in numar de 21 in functie de cele trei deformatii specifice, cele trei lunecari specifice si cele sase eforturi unitare dintr-un punct.

Capacitatea electrica C_E a captorului, datorita celor doua discuri legate in paralel, este data de relatia:

[F]

in care:

e     este constanta dielectrica a materialului piezoelectric, in F/m (de exemplu, pentru titanat de bariu F/m);

D   - diametrul discului, in m;

t - grosimea unui disc, in m.

Tensiunea electrica , in circuit deschis, este data de relatia:

    [v]

Energia electrica e generata de captor este exprimata de relatia:

Proprietatile titanatului de bariu obisnuit depind foarte mult de temperatura. Acest efect scade considerabil prin adaugarea unui anumit procent de titanat de plumb, toate constantele materialului devenind mult mai stabile fata de variatia temperaturii.