Пьезоэлектрические преобразователи

§7 Пьезоэлектрические преобразователи.

       Пьезоэлектрическими называются кристаллы и текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле ( обратный пьезоэффект ). Пьезоэффект обладает знакочувствительностью, т.е. происходит изменение знаков заряда при замене сжатия растягиванием и изменение знака деформации при изменении направления поля. Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие вещества: кварц, турмалин, ниобат лития, сегнетова соль и др., а также специальные пьезокерамики: титанат бария, титанат свинца, цирконат свинца и др.

       Физическую природу рассмотрим на примере кристалла кварца. На рис. 1.3 показана форма элементарной ячейки кристаллической структуры кварца.[5]

Ячейка в целом электрически нейтральна, однако в ней можно выделить три направления,

проходящие через центр и соединяющие два разнополярных иона. Эти направления называются электрическими осями и по ним направлены векторы поляризации P₁, P₂, P₃.

      Если к кристаллу приложить силу F_x, равномерно распределённую по грани то в результате деформации ячейки её электрическая нейтральность нарушится. Как показано на рис. 1.3 в деформированном состоянии ячейки сумма проекций векторов P₂ и P₃  на ось X становится меньше (при сжатии) или больше (при растяжении) вектора P₁ . В результате появляется равнодействующая вектора поляризации. Ей соответствуют поляризационные заряды на гранях, знаки которых показаны на рис. 1.3.

     Образование поляризационных зарядов на гранях, перпендикулярных оси X, при действии силы по оси X называется продольным пъезоэффектом.

Рекомендуемые материалы

     При механических напряжениях вдоль оси Y (её называют механической осью) геометрическая сумма проекций векторов P₂ и P₃  на ось Y равна нулю, и на гранях пъезоэлемента, перпендикулярных оси Y, заряды не образуются. Но сумма проекций векторов P₂ и P₃  на ось X  оказывается не равной вектору P_1. В результате на нижней грани образуются положительные заряды, а на верхней – отрицательные. Этот механизм называется поперечным пъезоэффектом. Поэтому при равномерном нагружении со всех сторон  кристалл кварца остается нейтральным. При нагружении по оси Z, перпендикулярной оси X и Y, называемой оптической осью, кристалл остаётся нейтральным. При механическом напряжении сдвига в отдельных вариантах возможно образование зарядов. 

      При продольном пьезоэффекте на гранях, перпендикулярных оси X, появляются заряды

                                          q= d₁₁Fx,      где   

d₁₁ – пьезоэлектрический модуль, равный 2,31*10 ^-12  К/н.  (Кулон на Ньютон),

d₁₁ - практически постоянен до температуры 200⁰_{_}С а затем с увеличением температуры немного уменьшается.

       Предельная рабочая температура составляет 500⁰  С. При температуре 573⁰ С (температура Кюри) кварц теряет пьезоэлектрические свойства. Диэлектрическая проницаемость ε кварца=4,5,удельное объёмное сопротивление ~10¹²    Ом.

       При поперечном пьезоэффекте  заряд может быть увеличен соответствующим выбором длин ребёр x и y:  

       q=S₁d₁₂F₂/S₂d₁₂S₁=d₁₂F₂y/x  

      Область применения пьезоэлектрических преобразователей весьма обширна.

      1.Преобразователи,в которых используется прямой пьезоэффект, применяются в приборах для измерения силы, давления, ускорения.

      2.Преобразователи, где используется обратный пьезоэффект, применяются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний.

       3.Ïðåîáðàçîâàòåëè, â êîòîðûõ  èñïîëüçóþòñÿ ïðÿìîé è îáðàòíûé ïúåçîýôôåêòû - ïúåçîðåçîíàòîðû, ïðèìåíÿþòñÿ â êà÷åñòâå ôèëüòðîâ, ïðîïóñêàþùèõ î÷åíü óçêóþ ïîëîñó ÷àñòîò íà ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòå.   

       Âûõîäíàÿ ìîùíîñòü ýòèõ ïðåîáðàçîâàòåëåé î÷åíü ìàëà, ïîýòîìó íà âûõîäå ïðåîáðàçîâàòåëÿ ìîæåò áûòü âêëþ÷¸í óñèëèòåëü ñ áîëüøèì âõîäíûì ñîïðîòèâëåíèåì.

       Ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà ïðåîáðàçîâàòåëÿ, ñîåäèí¸ííîãî êàáåëåì ñ èçìåðèòåëüíîé öåïüþ ïðåäñòàâëåíà íà ðèñóíêå 14, íà êîòîðîì

C_o -¸ìêîñòü ìåæäó ãðàíÿìè ïúåçîýëåìåíòà;

C_n  -¸ìêîñòü êàáåëÿ ìåæäó æèëîé è ýêðàíîì;

C_bx -âõîäíàÿ ¸ìêîñòü èçìåðèòåëüíîé öåïè;

R_o   -ñîïðîòèâëåíèå ïðåîáðàçîâàòåëÿ;

R_n- ñîïðîòèâëåíèå èçîëÿöèè êàáåëÿ;

R_bx -ñîïðîòèâëåíèå èçìåðèòåëüíîé öåïè.

Ýêâèâàëåíòíóþ ñõåìó ìîùíîñòü óïðîñòèòü(ðèñ.14 â ),ãäå ñîïðîòèâëåíèå R ðàâíî ñîïðîòèâëåíèþ ïàðàëëåëüíî ñîåäèí¸ííûõ âñåõ R  è ¸ìêîñòü  C=Co+Cn+bx..

Ïðè ñèíóñîèäàëüíîé ñèëå f=Fmsinùt/dt.Âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå ïðåîáðàçîâàòåëÿ âìåñòå ñ öåïüþ ñîñòàâëÿåò

                 Uâûõ=I[(R/jùc)/(R+1/(jùc))], ãäå

Вам также может быть полезна лекция "46 Способы и технологические особенности сварки низко и среднелегированных сталей".

I=jùd₁₁F;  òîãäà  Uâûõ=d₁₁FùR/(1+ùRC).

      Êàê âèäíî èç ïîñëåäíåãî âûðàæåíèÿ, àìïëèòóäà íàïðÿæåíèÿ è ñäâèã ôàç çàâèñÿò îò ÷àñòîòû:

       U âûõ =  (  d₁₁Fm/C)/ ( ùRC /√ (1+ù² R²C² ));  ö=ð/2+arctgùRC

 Èç ïðèâåäåííûõ âûðàæåíèé ñëåäóåò, ÷òî íàïðÿæåíèå íà âûõîäå íå áóäåò çàâèñåòü îò ÷àñòîòû òîëüêî ïðè âûñîêèõ ÷àñòîòàõ ù>1/RC    è áóäåò ðàâíî  U_âûõ=d₁₁F/C,  ò.å Uâûõ

çàâèñèò îò ¸ìêîñòè. Ïîýòîìó ,åñëè âêëþ÷èòü ïàðâëëåëüíî ïðåîáðàçîâàòåëþ ¸ìêîñòü ìîæíî ðàñøèðÿòü ÷àñòîòíûé äèàïàçîí, íî óìåíüøèòü Uâûõ. Óâåëè÷èòü R òåõíè÷åñêè ñëîæíåå, ò.ê. îíî è òàê âåëèêî, ïîðÿäêà 10⁹÷10¹⁰ Îì .

         Äîñòîèíñòâàìè ïüåçîýëåêòðè÷åñêèõ ïðåîáðàçîâàòåëåé ÿâëÿþòñÿ ìàëûå ãàáàðèòû, ïðîñòîòà êîíñòðóêöèè, íàä¸æíîñòü â ðàáîòå, øèðîêèé ÷àñòîòíûé äèàïàçîí, âûñîêàÿ òî÷íîñòü ïðåîáðàçîâàíèÿ ìåõàíè÷åñêèõ âåëè÷èí â ýëåêòðè÷åñêèå. Ýòè äîñòîèíñòâà  è ïîçâîëÿþò èñïîëüçîâàòü ïüåçîäàò÷èêè  äëÿ äàò÷èêîâ äàâëåíèé, óñêîðåíèé, ñèë, à îáðàòíûé ýôôåêò - äëÿ ñîçäàíèÿ ãåíåðàòîðîâ óëüòðàçâóêîâûõ êîëåáàíèé.