Диссертация (1091174), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Проинтегрировав выражение (4.17) с учетом (5.5), встречных направлений поляризации слоев структуры и увеличения деформаций в Q раз на частоте резонансаf1, получаем приближенное выражение для амплитуды напряжения u1, генерируемого биморфной структурой с планарной катушкой в магнитном поле:105u1 Qd 31 aNI0 H . 0 b(5.6)Макет датчика был изготовлен с использованием монолитной биморфной PZT-структуры из материала ЦТС-46, описанной в предыдущих разделах.Длина пластины вдоль оси x составляла l = 16 мм (длина свободной частиL=14 мм), ширина вдоль оси z – a = 8 мм, а толщина каждого слоя равняласьb/2 = 0.1 мм.
Планарная катушка была изготовлена методами фотолитографиина диэлектрической пленке толщиной 30 мкм и приклеена на поверхностьпластины вблизи ее свободного конца. Катушка с наружными размерами 8 х 8мм2 содержала 9 концентрических витков из медного микрополоска шириной100 мкм и толщиной 20 мкм. Сопротивление катушки равнялось 1.5 Ом, а индуктивность - 0.76 мкГн. Через катушку от генератора ГЗ-117 пропускали переменный ток с амплитудой I = 0 - 200 мА и частотой f = 10 Гц - 6 кГц. Датчик помещали в постоянное поле H = 0 - 2 КЭ, созданное электромагнитом.Генерируемое между электродами биморфной пластины напряжение u регистрировали с помощью цифрового осциллографа Tektronix TDS 3032B. Измеряли зависимости u от частоты f и амплитуды I тока через катушку и поля B.В ходе измерений температуру датчика изменяли в диапазоне -73 C - 130 C иконтролировали с точностью ~1 K путем охлаждения или нагрева в потокегазообразного азота.На рис.
5.12 показана зависимость u(f) амплитуды генерируемого датчиком напряжения от частоты возбуждающего тока f при поле H = 1 кЭ и токе I = 20 мА, измеренная при комнатной температуре. Пик с амплитудой u1 =0.5 В и добротностью Q1 ≈ 100 вблизи частоты f1 = 0.654 кГц, как будет показано ниже, возникает из-за резонансного увеличения деформаций в биморфной PZT пластине при совпадении частоты тока с частотой низшей моды изгибных колебаний пластины.106Подставляя в формулу (4.14) параметры PZT (Y = 71010 Н/м2, γ =7.7103 кг/м3) и размеры пластины, получаем частоту низшей моды колебаний fr = 0.676 кГц, хорошо совпадающую с измеренной 0.654 кГц.
Отличиерассчитанных и измеренных частот обусловлено конечной массой возбуждающей катушки, которая не учитывалась в расчетах.Оценка по формуле (5.6) при соответствующих эксперименту значениях параметров (d31 ≈ 190∙10−12 Кл/Н, ε ≈ 2∙103) измеренной добротности Q≈100, токе I = 20 мА и постоянном поле H = 1 кЭ дает амплитуду генерируемого датчиком напряжения u1 ≈ 0.8 В, согласующуюся по порядку величины сизмеренной.
Рассчитанная чувствительность датчика равна S = u1/(IH) ≈ 43B/(А∙кЭ), что также согласуется с данными измерений.На рис. 5.14 приведены зависимости напряжения с датчика u1 от поля Hна частоте резонанса f1 при различных значениях возбуждающего тока, измеренные при комнатной температуре.
На рис. 5.15 изображены аналогичныезависимости напряжения с датчика u1 от амплитуды тока I на частоте резонанса f1 при различных полях H. Зависимости на рисунках 5.13 и 5.14 практически линейны в исследованном диапазоне изменения полей и токов. Чувствительность датчика S = u1/IH, рассчитанная по наклону кривых на рисунках5.14 и 5.15, равна S = u1/IH ≈ 20.2 В/(А∙кЭ).
Полученная чувствительность в~2.5 раза превосходит чувствительность датчика на основе PZT-биморфа слинейным током ~10 В/(А∙кЭ) и сравнима с чувствительностью датчика наоснове биморфной PZT-пластины с объемной возбуждающей катушкой ~25В/(А∙кЭ).Сигнал с датчика уменьшался по закону ~u∙cos(α) при увеличении углаα между направлением поля B и плоскостью PZT-пластины, что позволяетиспользовать датчик для определения направления поля.107Рисунок 5.14 Зависимость напряжения с датчика u на частоте резонанса f0= 0.66 кГц от поля H при токах через катушку I, мА: 1 – 5, 2 – 20, 3 -100.Рисунок 5.15 Зависимость напряжения u с датчика на частоте резонанса f1от тока I через катушку при разных полях H, кЭ: 1 - 0.1, 2 - 0.5, 3 - 2.108Для применений важно знать зависимость характеристик датчика оттемпературы.
На рис. 5.16 приведены измеренные зависимости частоты f1,добротности резонанса Q1 и амплитуды выходного сигнала u1 описанногодатчика от температуры при поле 1 кЭ и токе 20 мА. Видно, что с увеличением T в интервале от −50 С до 110 С резонансная частота уменьшается на~1.8 %, добротность резонанса Q практически не изменяется, а амплитуда генерируемого сигнала u монотонно падает в ~4 раза. Изменение частоты, какпоказали независимые измерения, связано с температурным уменьшениеммодуля Юнга пьезоэлектрика, а падение амплитуды генерируемого напряжения - с увеличением диэлектрической проницаемости ε керамики [91].Рисунок 5.16 Измеренные зависимости: (a) резонансной частоты f1; (б) добротности резонанса Q1 и (в) напряжения с датчика u1 от температуры T.1095.6 Сравнение датчиков магнитных полейВ таблице 5 представлены характеристики изготовленных и исследованных в работе датчиков постоянных магнитных полей, использующих резонансный МЭ эффект в структурах металл-пьезоэлектрик.
Для сравнения втой же таблице приведены параметры выпускаемых в настоящее время датчиков магнитных полей, использующих эффект Холла в полупроводниках,эффект гигантского магнитоспротивления и эффект перемагничивания ферромагнетика в переменном магнитном поле. Все выбранные для сравненияустройства требуют для своей работы дополнительного источника тока накачки, по диапазону измеряемых полей и возможным областям применениянаиболее близки к предложенным в диссертации датчикам.
В качестве характеристик для сравнения выбраны следующие:- Приведенная чувствительность датчика S [В/(А·кЭ)] = u/(IH), где u – напряжение на выходе датчика (постоянное или переменное) в вольтах, возникающее под действием приложенного поля напряженностью H в кЭ, I - токнакачки, выраженный в амперах;- Минимальное измеряемое поле Hmin в эрстедах, определяемое уровнем собственных шумов датчика;- Диапазон частот измеряемых магнитных полей Hmin – Hmax, где Hmin – минимальное регистрируемое поле в Эрстедах, Fmax – верхняя граница диапазонаизмеряемых полей датчика в Эрстедах;- Ток накачки I, выраженный в миллиамперах.В последней колонке таблице приведен источник данных.110Таблица 5.1 Характеристики датчиков магнитных полей№ Тип датчика маг- Чувствительностьнитных полейS = u/(I∙H),Диапазон полейТок накачкиHmin - Hmax, ЭI, мА~ 10−1 - 10410-100ИсточникВ/(А∙кЭ)1Датчик № 1на пьезоэлектриче-0.2[82]ском кольце2Датчик № 2на пьезобиморфе с[81]10~ 10−2 - 10410-100линейным током3Датчик № 3на пьезобиморфе в[83]24~ 10−3 - 10410-5024~ 10−3 - 10410-100Стр.
10220~ 10−3 - 10410-100[84]1-20~ 10−1 - 1041-200[96]2-10~10−1 - 501-100[97]103~10−5 - 1010-100[98]форме камертона4Датчик № 4 на пьезобиморфе с объемной катушкой5Датчик № 5 на пьезобиморфе с планарной катушкой6Датчик на эффектеХолла7Датчик на эффектемагнетосопротивления8Феррозонд111Сравнивая параметры приведенных в таблице датчиков, можно сделатьследующие выводы:- Пьезоэлектрические датчики полей на основе биморфов с возбуждением на резонансной частоте с помощью линейного тока или электромагнитных катушек, обладают на ~2 порядка более высокой чувствительностью S ≈20 В/(А∙кЭ), чем датчики на основе ПЭ колец.
Чувствительность ПЭ датчиковсравнима с чувствительностью датчиков Холла и магниторезистивных датчиков, но меньше, чем чувствительность феррозондовых магнетометров.- Величина минимального регистрируемого поля ПЭ датчиков Hmin определяется в основном диэлектрическими и акустическими шумами ПЭ элемента, которые задают уровень шумового напряжения выходного сигналадатчика. В нашем случае типичная величина шумового напряжения составляла ~ 1 µВ.
Оценку минимального регистрируемого поля можно выполнить изусловия равенства полезного сигнала датчика шумовому напряжению. Принимая чувствительность датчика S ≈ 20 В/(Э·см) и ток накачки I ≈ 50 мА, получаем оценку минимального регистрируемого поля Hmin ≈ 1·10−3 Э. То естьПЭ датчики позволяют регистрировать на ~1-2 порядка более слабые магнитные поля, чем доступные в настоящее время датчики Холла.- Верхняя граница измеряемых магнитных полей для ПЭ датчиков составляет десятки кЭ и, по-видимому, может быть повышена за счет уменьшения тока возбуждения.
По этому параметру ПЭ датчики существенно превосходят датчики на основе эффекта магнетосопротивления и феррозонды.- Величина тока возбуждения для всех перечисленных датчиков примерно одинакова и составляет ~1-102 мА. Отсюда следует, что энергопотребление ПЭ датчиков также будет примерно сравнимо с энергопотреблениемдатчиков других типов.112В тоже время остается масса вопросов, требующих проведения дополнительных материаловедческих, физических и технологических исследований, направленных на улучшение характеристик ПЭ датчиков и оптимизациюих конструкции. Сюда относятся исследование шумов датчиков, улучшениеих температурной стабильности, исследование воспроизводимости параметров датчиков при массовом производстве, проблемы «старения» и долговременной стабильности параметров, снижение массо-габаритных показателей идругие.В целом, проведенные в диссертации исследования позволяют сделатьвывод, что ПЭ резонансные датчики, после проведения дополнительных исследований по улучшению их параметров и совершенствованию конструкций,могут составить серьезную конкуренцию существующим в настоящее времядатчикам магнитных полей.113ЗаключениеОсновные результаты работы следующие1.
Обнаружен и исследован МЭ эффект в двухслойных дисковых резонаторахникель - цирконат-титанат свинца, изготовленных методом электролитическогоосажденияникеляиметодомсклеивания,обусловленныймагнитострикцией ферромагнитного слоя. Эффект наблюдается на частотахкак изгибных, так и радиальных акустических колебаний. Частота изгибныхколебаний определяется значениями эффективной плотности и эффективногомодуля Юнга слоев, ее можно изменять в широких пределах, подбираятолщиныслоев.магнитоэлектрическийкоэффициентдлядисковыхрезонаторов достигает ~1 В/(см∙Э).2.
Обнаружен и исследован резонансный пьезоиндукционный эффект(взаимное преобразование переменных магнитных и электрических полей) врадиально-поляризованном кольце из пьезоэлектрика с металлическимиэлектродами, помещенном в аксиальные постоянное и переменное магнитныеполя. Эффект возникает благодаря комбинации пьезоэффекта, силы Ампера иэлектромагнитной индукции на частоте акустического резонанса структуры.Величина эффекта линейно зависит от амплитуд переменных полей инапряженности постоянного магнитного поля.3.Показано,чтобиморфнаяпьезоэлектрическаяструктураввидезакрепленной на одном конце балки, помещенная в постоянное магнитноеполе, при пропускании через средний электрод или намотанную на структурукатушку переменного тока с частотой, равной частоте изгибных колебанийбиморфа, генерирует переменное напряжение.
Амплитуда напряженияпропорциональна акустической добротности структуры, амплитуде тока инапряженности магнитного поля.4. Продемонстрировано, что резонансные магнитоэлектрические эффекты в114кольцевыхпьезоэлектрическихпьезоэлектрических балках,резонаторахибиморфныхобусловленные комбинацией силы Ампера ипьезоэффекта, могут быть использованы для создания датчиков постоянныхмагнитных полей с чувствительностью до 26 В/(А∙кЭ), работающих вдиапазоне полей от единиц милли-эрстед до десятков кило-эрстед.По результатам проведенных в ходе выполнения диссертационной работы исследований опубликованы 11 статей в российских и международныхжурналах, входящих в базы данных РИНЦ и «Web of Science» и рекомендованных ВАК РФ, представлено 7 докладов на российских и международныхконференциях и получено 4 патента на полезные модели.Результаты диссертации использованы при выполнении НИОКР:1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
