Чудесные кристаллы

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Все готово к старту космической ракеты. Проверены все приборы, двигатели. Космонавт занимает свое место. Еще мгновение — и ракета устремляется ввысь.

Несмотря на необычные условия, космонавт чувствует себя хорошо. Исправно работает и вся бортовая аппаратура космического корабля. Полет ракеты успешно продолжается.

Каким образом это стало известно нам, находящимся на Земле, от которой ракета удаляется на тысячи километров? Ведь для того чтобы знать состояние бортовой аппаратуры и тем более человека, необходимы многочисленные сведения о температуре, давлении, скорости, ускорении и т. д.

Оказывается, все эти сведения можно получить при помощи приборов, называемых датчиками. Это они собрали интересующие нас данные и преобразовали их в электрические сигналы, которые при помощи радиопередатчика были переданы на Землю. В результате расшифровки и обработки полученных данных мы знаем о состоянии космонавта и можем судить о работе разнообразных приборов, находящихся на космическом корабле.

Датчики применяются не только в космонавтике. Существуют многочисленные отрасли науки, техники и военного дела, где эти приборы крайне необходимы.

В многочисленном семействе датчиков почетное место занимают пьезоэлектрические датчики, использующие пьезоэлектрический эффект. Наиболее распространены пьезоэлектрические датчики давления.

Простейший манометр, например манометр для измерения давления пара в паровом котле, представляет собой изогнутую стеклянную трубку, наполненную жидкостью. Одно из колен трубки соединено с котлом. При повышении давления в котле пар давит на жидкость и в этом колене уровень жидкости падает, а в свободном колене повышается. Величина давления определяется по разности уровней жидкости в коленах.

Существуют и другие, более совершенные виды датчиков давления — манометры. Но все они имеют существенные недостатки: нельзя измерять как очень большие, так и очень слабые давления, а главное — они не успевают отмечать изменения при быстрых отклонениях давления. К тому же показания таких манометров очень трудно, а иногда и совсем невозможно передать на расстояние.

Этих недостатков не имеют пьезоэлектрические манометры, где чувствительным элементом является пьезокварцевая пластинка, на которую воздействует измеряемое давление. На пластинке возникают электрические заряды, величина которых пропорциональна давлению. Заряды с поверхностей пластинки снимаются и подаются на усилитель и далее на электроизмерительный прибор. Устройство пьезоэлектрического манометра для измерения давления пара в котле схематично изображено на рис. 48.

Нетрудно видеть, как выгодно отличается такой манометр от стеклянного манометра с жидкостью. Здесь может быть измерено малейшее изменение давления, поскольку самое ничтожное количество электрических зарядов может быть усилено.

При помощи пьезоэлектрического манометра измеряют давление и на расстоянии. Для этого манометр устанавливают на исследуемом объекте и при помощи проводов соединяют с усилителем, находящимся на месте наблюдения. В случае необходимости электрические сигналы с усилителя могут быть преобразованы в радиосигналы и переданы на значительные расстояния!.

Пьезоэлектрические манометры удобны в обращении, прочны и невелики по размерам.

Все эти свойства обусловили широкое применение пьезоэлектрических датчиков давления в науке и технике. При помощи таких датчиков на железнодорожном транспорте измеряют давление, которое оказывает на рельсы проходящий поезд. Разработаны и широко применяются пьезокварцевые датчики для исследования рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания, в паровых и газовых турбинах, атомных реакторах.

Применяются пьезоэлектрические манометры и в военном деле. При изучении полета артиллерийского снаряда необходимо знать его поведение внутри ствола орудия в момент выстрела. Для этого в ствол монтируется пьезоэлектрический датчик давления, показания которого раскрывают процесс выстрела (рис. 49).

Необходимы пьезоэлектрические манометры и для определения силы ударной волны при испытательных взрывах зарядов взрывчатых веществ. В этом случае пьезоэлектрические датчики устанавливают на различных расстояниях от центра взрыва. Величины давлений, измеренные датчиками, будут характеризовать силу ударной волны и ее изменение с увеличением расстояния.

Среди пьезоэлектрических датчиков можно найти и пьезоэлектрический акселерометр — прибор для измерения ускорений. Сила инерции зависит от массы тела. Если тело движется, то сила инерции зависит и от ускорения, т. е. прироста скорости за единицу времени. Чем больше масса и ускорение тела, тем больше сила инерции. Если каким-либо образом измерить силу инерции, то, зная массу тела, можно определить ускорение.

Этот принцип и положен в основу устройства пьезоэлектрического акселерометра (рис. 50), В камере акселерометра на пружинах подвешен груз. Одна из пружин прикрепляется к электроду пьезокварцевой пластинки. Движение корпуса вызывает смещение груза, а следовательно, и давление на кварцевую пластинку. Величина электрических зарядов, возникающих на пластинке, пропорциональна смещению груза, а следовательно, и ускорению.

Пьезоэлектрическими акселерометрами можно измерять не только ускорения, но и вибрацию. Знать, как вибрируют те или иные детали и приборы при движении самолета, ракеты, корабля, очень важно. Дело в том, что при определенных условиях вибрация может достигнуть значительного размаха, и в результате прибор или деталь выйдут из строя.

Чтобы измерить частоту и размах вибрации, на исследуемый прибор устанавливают акселерометр. Под влиянием вибрации груз периодически сдавливает и растягивает кварцевую пластинку. В цепи пластинки возбуждается переменный ток, величина и частота которого пропорциональны вибрации.

Колебания пластинки можно записать на ленту, используя самопишущее устройство, подобное тому, которое применяется в ультразвуковом эхолоте. Такой прибор называется акселерографом. При высокой частоте вибрации эти колебания можно просмотреть на экране электронно-лучевой трубки.