Глава 2 (Учебник в электронном виде), страница 5
Описание файла
Файл "Глава 2" внутри архива находится в папке "Учебник". Документ из архива "Учебник в электронном виде", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "информационные устройства и системы" из 8 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "информационные устройства и системы" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Глава 2"
Текст 5 страницы из документа "Глава 2"
Пьезоэлектрический ЧЭ (рис. 2.20а, б) по своему устройству и принципу действия напоминает конденсатор, напряжение на обкладках которого, зависит от расстояния между ними и изменяется при любых вариациях последнего. Это обстоятельство позволяет использовать его в качестве преобразователя динамических параметров - силы, давления, вибрации.
Электрическое состояние пьезоэлемента описывает связь между векторами напряженности электрического поля E и поляризации P:
0E =- P
Рассмотрим модель пьезоэффекта на примере кварца. Кристалл кварца имеет ромбоэдрическую решетку. Элементарная кристаллическая ячейка составляется тремя молекулами SiO2, которые, группируясь по два, образуют гексагональную форму (рис. 2.20в).
В каждой ячейке можно выделить три направления, проходящие через центр и соединяющие два разнополярных иона (рис. 2.21). Эти направления получили название электрических осей или осей X (по ним направлены векторы поляризации P1, P2, P3). Изначально, до деформации ячейка электрически нейтральна.
Представим каждую ячейку в виде элементарного куба, внутри которого расположены ионы кремния и кислорода. Если к рассматриваемой ячейке вдоль оси X приложена сила Fx, равномерно распределенная по грани, перпендикулярной X, то в результате деформации электрическая нейтральность ячейки нарушается. При этом в деформированном состоянии сумма проекций векторов P2 и P3 на ось X станет меньше (при сжатии) или больше (при растяжении) вектора P1. В результате появляется равнодействующая вектора поляризации; ей соответствуют поляризационные заряды на гранях.
Нетрудно видеть, что такая деформация ячейки не влияет на ее электрическое состояние вдоль оси Y. Здесь сумма проекций векторов равна нулю, ибо P2y = P3y.
Образование поляризационных зарядов на гранях, перпендикулярных оси X, при действии силы по оси X называется продольным пьезоэффектом (рис.2.22а).
П ри механических напряжениях, приложенных относительно одной из осей Y (называемых механическими), геометрическая сумма проекций векторов P2 и P3 на ось Y равна нулю, и на гранях пьезоячейки, перпендикулярных оси Y, заряды не образуются. Однако сумма проекций векторов P2 и P3 на ось X оказывается не равной вектору P1. (Так, при сжатии ячейки, она превышает P1, в результате на нижней грани образуются положительные заряды, а на верхней - отрицательные).
Рассмотренный эффект образования зарядов на гранях, перпендикулярных нагружаемым, называется поперечным пьезоэффектом (рис.2.22б, в).
При одновременном действии сил Fx и Fy, а также равномерном нагружении со всех сторон (например, гидростатическом сжатии) ячейка остается электрически нейтральной. Такая же картина характерна и для случая, когда сила приложена вдоль оси Z, перпендикулярной осям X и Y (она называется оптической).
При механическом напряжении сдвига, деформирующем ячейку геометрическая сумма проекций векторов P2 и P3 на ось X равна направленному вдоль той же оси вектору P1 и на гранях, перпендикулярных оси X, заряд не возникает. Однако, проекции векторов P2 и P3 на ось Y не равны, и на гранях, перпендикулярных оси Y, образуется заряд.
Итак, рассмотрение физической природы пьезоэффекта показывает, что при напряженном состоянии материала заряды принципиально могут возникать между тремя парами граней. Это означает, что поляризационный заряд Q является вектором и описывается тремя компонентами (Q1, Q2, Q3).
Q = q $ = D ,
где $ - площадь грани, q - плотность заряда, D - матрица пьезомодулей, - вектор напряженного состояния (рис. 2.23).
Плотность заряда, как параметр независящий от размеров граней является наиболее точной характеристикой пьезоэффекта, поэтому ее используют при обозначении функции преобразования пьезоэлектрического ЧЭ. Для каждой компоненты вектора q справедливо qi = dij sj , i = 1, 2, 3; j = 1, 2, 3, 4, 5, 6 .
q1 = d11 s1 + d12 s2 + ... + d16 s6.
Тогда, например, при действии силы сжатия вдоль оси X, плотность заряда на гранях, перпендикулярных этой оси, будет равна q1 = d11 s1; при сжатии по оси Y, получим соответственно q1 = d12 s2 , при всестороннем сжатии q1 = d11 s1 + d12 s2 + d13 s3 и, наконец, при сдвиге q1 = d14 s4
Наиболее интересен поперечный пьезоэффект (рис. 2.22в). Для него заряд Q1 может быть увеличен соответствующим выбором относительных размеров пьезоэлемента, т.е. длин ребер x, y. Действительно:
Q1 = q1 $1 = $1d12 F2/$2 = d12 F2 (zу)/(zх) = d12 F2 y/x.
Матрица пьезомодулей D (иначе называемая матрицей пьезоэлектрических коэффициентов dij), имеет размерность 3 на 6 элементов. Для уменьшения размерности матрицы используют специальные срезы кристалла. В частности, кварц Х-среза наиболее чувствителен к продольным деформациям. Сечение, в котором матрица пьезомодулей наиболее «разрежена» получило название сечения Кюри.
В этом сечении, например, для кварцевой пластинки имеем:
d11 = 2,3 10-12 Кл/Н, d14 = -0,7 10-12 Кл/Н. В выражении для D учтено, что d12 = -d11, d25=-d14, d26= -2d11. Пьезоэлектрические параметры ЧЭ зависят от используемых материалов. Некоторые из этих материалов рассмотрены в табл. 2.6. Обозначено: сзв - скорость звука в материале, , усл и d33 - плотность материала, его диэлектрическая проницаемость и пьезомодуль.
Таблица 2.6. Сравнительные характеристики материалов пьезоэлектрических ЧЭ
Марка | Тип | сзв, м/с | , кг/см3 | усл, ед | d33, пКл/Н | Траб. max, оC |
Кварц | Природный | 5740 | 2,65 | 4,5 | 2,31 | 570 |
Сегнетова соль | Природный | 3080 | 1,77 | 10,3 | 54 | 25 |
Ниобат лития | Природный | 7320 | 4,64 | 30 | 6 | 1160 |
ЦТС-19 | Керамика | 3300 | 7,0 | 1400 | 200 | 290 |
ЦТБС-2 | Керамика | 3300 | 7,1 | 1000 | 300 | 500 |
Особенностью пьезоэлектрических датчиков (динамометров, акселерометров, генераторов и др.) является совмещение функций упругого и ЧЭ, что нехарактерно для датчиков на основе других преобразователей (например, ТР). Использование такого совмещенного упруго-чувствительного элемента (УЧЭ) позволяет повысить точность измерения, за счет отсутствия переходных соединений. Говорят, что такая конструкция обладает малым внутренним трением. Одной из оценок этого свойства является добротность, характеризующая механические потери в УЧЭ. Применительно к генераторному преобразователю, например, добротность = f/fрез, где f - ширина резонансной кривой на уровне убывания амплитуды в 2 раза от резонансной fрез (рис. 2.24). Добротность зависит от декремента затухания и для пьезоэлектрических УЧЭ лежит в диапазоне 300 ... 1000.
В качестве УЧЭ используются природные, пьезокерамические и полимерные материалы (типа поливинилвторида - PVF2) обладающие матрицей D с пятью ненулевыми элементами.
В отличие от природных материалов, пьезокерамики имеют значительно более высокие пьезомодули dij и диэлектрическую проницаемость (меньшее влияние паразитных емкостей), но худшие упругие свойства и более высокую температурную чувствительность. Модуль упругости пьезокерамических материалов E лежит в пределах (0,65 ... 1,3) 1011 Па.
Все материалы обладают пьезоэлектрическими свойствами лишь в определенном температурном диапазоне, граница которого определяется точкой Кюри Tc. Для кварца точке Кюри соответствует температура 530 оС, для пьезокерамик эти температуры значительно ниже (например, для BaTiO3, Tc = 120о C). Кроме того, кварц обладает рядом других достоинств. Так, его прочность на сжатие достигает величины s = 4 109 Н/м2, функция преобразования линейна практически без гистерезиса, постоянная времени релаксации заряда достигает нескольких часов. Некоторые сравнительные характеристики пьезоэлектрических ЧЭ для двух промышленных моделей приведены в табл.2.7. Обозначено: fрез и Df - соответственно значение резонансной частоты и ширины резонансной кривой, e - погрешность.
Таблица 2.7. Сравнительные характеристики пьезоэлектрических ЧЭ
Модель | Диапазон измерения | Uип, В | fрез, кГц | Df, кГц | e, % | Æ, мм | m, кг |
МУП-1 | 60 кГц | 12 ... 100 | 40 | 0,6 ...1 | 18 | 0,02 | |
HP-0001 | 0 .... 106 Н | 12 | 0,1 | 12 | 0,005 |
Примечание. Модель HP-0001 разработана фирмой Hellwett-Packard, США.
Итак, мы рассмотрели основные типы ЧЭ, которые преобразуют изменение измеряемой величины в изменение какого-либо собственного параметра. В рассмотренных примерах такими параметрами являются сопротивление, индуктивность, заряд и другие разнородные характеристики (часто объединяемые термином импеданс). Однако согласно рассмотренным выше требованиям унификации выходной сигнал должен иметь стандартную форму (обычно, напряжение или ток) и установленный диапазон. С целью получения унифицированного датчика (трансмиттера) отдельные преобразователи включаются в различные измерительные цепи. Измерительные цепи датчиков строятся на базе ЧЭ и обычно состоят из измерительных (суммирующих) схем и измерительных усилителей.
2.2. Измерительные схемы датчиков
.Вариации импеданса Zд ЧЭ, связанные с изменениями измеряемой величины x, могут быть преобразованы в электрический сигнал путем включения ЧЭ в измерительную схему, питаемую источником напряжения E или тока I. Измерительные схемы, называемые также схемами формирования сигналов, предназначены для преобразования информации, полученной ЧЭ в процессе измерения в электрический сигнал (в форме вариаций амплитуды, фазы или частоты).
Наиболее распространены два типа измерительных схем датчиков: параметрические и генераторные.