1.4. Traductoare generatoare pentru mărimi mecanice.

Convertesc direct mărimea mecanică într-o tensiune electrică. Din aceasta categorie fac parte:

traductoarele piezoelectrice;

traductoarele de inductie.

a) Traductoarele piezoelectrice; efectul piezoelectric direct constă în polarizarea electrică a cristalelor

unor substanţe (cuarţ, titanal de bariu etc.) la aplicarea unor forţe care produc deformaţii de întindere sau de compresiune,

efectul piezoelectric invers, constă în modificarea dimensiunilor cristalelor la aplicarea unui câmp electric variabil.

Fig.2.12. Efectul piezoelectric al cristalului de cuarţ.

a) cristal natural, b) efect piezoelectric transversal, c) efect piezoelectric longitudinal

Cristalele naturale de cuarţ se compun din prisme hexagonale terminate la capete cu piramide hexagonale. Efectul piezoelectric se manifestă la partea prismatică. Axele electrice trec prin vârfuri; axele mecanice sunt perpendiculare pe laturi.

Din prisma hexagonală se taie bucăţi sub formă de paralelipiped care au o axă orientată după o axă electrică (xx’) şi o altă axă orientată după o axă mecanică perpendiculară pe ea (yy’) - efect piezoelectric transversal.

Daca axele coincid (titanat de bariu) - efect piezoelectric longitudinal.

Sarcina apărută prin efect piezoelectric fie longitudinal fie transversal este proporţională cu forţa F şi nu depinde de dimensiunile cristalului:

Q = k F Cristalul are aplicate armături metalice pe axa x astfel că el se comportă ca un

condensator plan:

ε - permitivitatea totală a cristalului Ax - suprafaţa cristalului perpendiculară pe axa electrică xx’

dx - grosimea cristalului în lungul axei xx’

Rezultă tensiunea electrică obţinută la aplicarea forţei:

cristalul se comportă ca un condensator cu pierderi; sarcina Q se descarcă prin rezistenţa cristalului şi deşi Fx se menţine Ux dispare.

De aceea traductoarele piezoelectrice se folosesc mai ales în regim dinamic.

CA

dx

x

=ε

Uk

dF

Ax xx

x

=ε

Traductoarele piezoelectrice bazate pe efectul piezoelectric direct se folosesc la măsurarea forţelor, acceleraţiilor, presiunilor şi a unor constante de material.

Efectul piezoelectric invers, de generare a unor vibraţii ale cristalului la aplicarea unor de tensiuni de polarizare alternative pe axa electrică, se folosesc la generarea ultrasunetelor. Frecvenţa acestora este data de relatia:

Ex - modul de elasticitate al cristalului

ρ - densitatea acestuia, d - dimensiunea cristalului

Ultrasunetele se pot folosi în defectoscopie, măsurarea de dimensiuni, curăţirea pieselor etc.

fd

Ex

x

x= 1

2 ρ

b) Traductoarele de inducţie

Funcţionează pe baza fenomenului de inducere a unei tensiuni electromotoare în conductoare care se deplasează într-un câmp magnetic sau aflate în câmp magnetic variabil.

Cele mai răspândite sunt tahogeneratoarele, care sunt traductoare de turaţie.

Ele generează tensiuni electrice continue sau alternative, proporţionale cu turaţia.

Tahogeneratoarele de curent continuu sunt mici generatoare funcţionând în regim de mers în gol,

Tensiunea de mers în gol, este proporţională cu turaţia

U0= K.Φ 0n

Aceste tahogeneratoare au precizie bună şi pot indica şi schimbarea sensului de rotaţie.

Au însă colector, care creează dificultăţi în exploatare şi scumpeşte traductorul.

Tahogeneratoarele de curent alternativ, nu au colector, pentru că inductorul (rotorul) multipolar este realizat din magneţi permanenţi.

Si la aceste tahogeneratoare de tip alternator, tensiunea alternativă, la mers în gol, este proporţională cu turaţia.

Ua = Ka n

Datorită frecărilor în lagăre şi la ventilator, a consumului instrumentului cuplat la generator şi a pierderilor în înfăşurări, tahogeneratoarele consumă puteri relativ mari 5÷50 W, care pot fi totuşi neglijabile la maşini de puteri mari.

Se mai utilizează şi traductoare cu reluctanţă variabilă, la care o roată dinţată feromagnetică, antrenată de arbore, închide şi deschide circuitul magnetic al unui magnet permanent sau electromagnet. În primul caz, într-o bobină aflată pe magnetul permanent, se vor induce

tensiuni datorate variaţiei fluxului In al doilea caz, electromagnetul alimentat la tensiune constantă va

consuma un curent variabil datorat variaţiei inductivităţii ca urmare a variaţiei reluctantei circuitului magnetic.

Fig. 7.13. Traductoare de turaţie cu reluctanţă variabilă.

La aceste traductoare, deşi legea inducţiei joacă rolul principal, generând tensiuni a căror frecvenţă este proporţională cu turaţia:

f = p.n p - numărul de dinţi; n - turaţia, ele pot fi considerate şi ca traductoare numerice.

1.5. Traductoare numerice (digitale)

Traductoarele numerice convertesc direct mărimea mecanică (deplasare liniară sau unghiulară) într-o succesiune de impulsuri a căror frecvenţă sau cod numeric sunt proporţionale cu mărimea mecanică măsurată.

Ele au avantaje importante: precizii ridicate şi rezoluţii mari, insensibile la zgomot, oferă rezultatul sub formă numerică, uşor de prelucrat şi stocat, pot fi cuplate direct cu sistemele numerice de calcul şi reglare automată.

Sunt preferate, desi au si dezavantaje: preţul ridicat şi aparatura de prelucrare mai pretenţioasă,

Sunt preferate în multe domenii cum ar fi: aviaţia, tehnica militară, în procese tehnologice de precizie ridicată.

a) Traductorul numeric pentru unghi de rotaţie, Este format din

disc codificator şi sistem de citire cu:

sursă de lumină şi celulă fotoelectrică, sau perii care calcă pe sectoarele conductoare sau izolante conectând sau

întrerupând un circuit electric. Discul codificator, montat pe axul a cărui rotaţie se măsoară, prezintă un

număr de 4÷12 inele, având sectoare echidistante conductoare şi izolante. O poziţie a discului va da sistemului de citire un cod binar unic. Astfel

pentru 10 inele se pot detecta 210-1=512 poziţii diferite pe o rotaţie de 360 grade.

Precizia măsurării mai depinde şi de precizia realizării sectoarelor. Prin tehnici fotochimice se pot obţine totuşi precizii ridicate.

Discurile cu număr mare de inele, necesită totuşi sisteme scumpe de prelucrare a informaţiei.

Se folosesc la masurarea deplasarilor. Cel mai folosit traductor utilizează o scală în mişcare, marcată cu zone

opace dreptunghiulare. Un dispozitiv optic format din sursă de lumină şi sistem de lentile,

luminează perpendicular scala. În partea opusă se află o grilă cu 4 fante prin care razele de lumină pot

trece către patru fotocelule. Iluminarea unei fotocelule va fi minimă când în dreptul fantei va fi o zonă

opacă şi maximă când zona este transparentă.

Fig. 7.14. Traductoare numerice

a) traductor de deplasare unghiulară, b) traductor de deplasare liniară. c) rigla cu fante

O zonă opacă şi una transparentă ocupă distanţa “d” care se mai numeşte perioadă de deplasare.

Fantele grilei vor fi distanţate diferit la: 0,5d, 0,75d şi 1,5d, pentru a se afla în fază, în antifază sau în cuadratură faţă de prima fantă.

Semnalele aproximativ sinusoidale obţinute la ieşirea fotocelulelor pot fi convertite uşor în semnale numerice. Rezoluţia unui astfel de traductor numeric de deplasare liniară este de d/4.

Dacă d=0,01 mm atunci rezoluţia poate atinge 0,0025mm.