Э-67 (781648), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Бездефектные кристаллы, годные для пьезоэлектрических резонаторов, встречаются редко.5Сегнетова соль. Сегнетова соль кристаллизуется в ромботетраэдрическом классеромбической сингонии. Принадлежность к энантиоморфному классу определяет теоретическую возможность существования правых и левых кристаллов сегнетовой соли. Однако получаемые из отходов виноделия кристаллы сегнетовой соли бывают только правыми.Для предохранения от воздействия влаги пьезоэлементы из сегнетовой соли покрывают тонкими пленками лака.Пьезоэлементы из сегнетовой соли широко использовались в аппаратуре, работающей в сравнительно узком температурном интервале, в частности, в звукоснимателях.
Однако в настоящее время они почти полностью вытеснены керамическими пьезоэлементами.Ниобат лития. Ниобат лития - синтетический кристалл, кристаллизуется в дитригонально-пирамидальном классе ромбоэдрической сингонии. Ниобат лития не растворяется вводе, не разлагается при высоких температурах, отличается высокой механической прочностью. По электрическим свойствам он представляет собой сегнетоэлектрик с температуройКюри около 1200 градусов Цельсия.Благодаря своим высоким пьезоэлектрическим и механическим свойствам, в томчисле и высокой добротности, ниобат лития является перспективным материалом для изготовления преобразователей различного назначения.
Тонкие (толщиной около одного микрометра) пленки ниобата лития, получаемые катодным распылением в вакууме, представляют собой ориентированные поликристаллические текстуры, которые могут быть использованы в качестве излучателей и приемников ультразвуковых колебаний СВЧ - диапазона.Поликристаллические пьезоэлектрики.Пьезоэлектрическая керамика.
Сегнетоэлектрические свойства таких материаловобуславливают возможность пьезоэлектрического эффекта. Под влиянием постоянногоэлектрического поля некоторая часть доменов ориентируется в направлении приложенногополя. После снятия внешнего поля большая часть доменов удерживается в своем новом положении из-за внутреннего поля, которое возникает в результате параллельной ориентациинаправлений поляризации доменов. Благодаря этому керамика становится полярной текстурой, которая обладает пьезоэффектом.Керамическая технология изготовления пьезоэлементов не накладывает принципиальных ограничений на их форму и размеры. Эти обстоятельства, а также высокие значенияпьезоэлектрических характеристик обусловили широкое применение керамических пьезоэлементов в технике, в особенности в устройствах для излучения и приема ультразвуковыхколебаний.6Освоена технология промышленного изготовления керамических пьезоэлементов.Отличительной чертой процесса изготовления пьезокерамических изделий является их поляризация сильным постоянным электрическим полем, которое прикладывается обычно после нанесения электродов на спеченную заготовку, полученную одним из методов керамической технологии.Пьезокерамические датчикиПьезокерамические датчики преобразуют механическую силу или движение в пропорциональный электрический сигнал, то есть, основаны на прямом пьезоэффекте.В условиях активного внедрения компьютерной техники эти датчики являются незаменимыми устройствами, позволяющими согласовывать механические системы с электронными системами контроля и управления.Выделяются два основных типа пьезокерамических датчиков: осевые (механическаясила действует вдоль оси поляризации, мода ij = 33) и гибкие (сила действует перпендикулярно оси поляризации (мода ij = 31)).В осевых датчиках используют пьезоэлементы различных форм: диски, кольца, цилиндры и пластины.
В качестве примеров использования таких датчиков можно привестидатчики ускорения (акселерометры), датчики давления, датчики детонации, датчики разрушения и т. п.Поликристаллические пьезоэлектрики с пластмассовыми наполнителямиВ пьезоэлектрических датчиках, испытывающих одноразовое высокоскоростное нагружение, (например, датчики цели взрывателей артиллерийских снарядов) применяют пьезопластмассовые материалы.
Эти материалы представляют собой смесь пьезокерамики ипластмассового наполнителя типа полиэтилена. Пьезодатчики из пьезопластмассы характеризуются несколько меньшей энергоотдачей, но зато их конструкции более технологичны вмассовом производстве.Лабораторная установкаЛабораторная установка состоит из устройства нагружения пьезоэлементов, статического вольтметра, подставки для размещения пьезоэлементов и электрических проводов,служащих для электрического подключения пьезоэлемента к статическому вольтметру идля обнуления заряда на пьезоэлементе перед снятием с него механической нагрузки.
Установка изображена на фото рис.2.7Рис.2. Лабораторная установкаЭкспериментальная частьЗадание 1. Определение пьезомодуля различных типов пьезоэлементов.1. Подготовить лабораторную установку для проведения эксперимента и провестиизмерения, для этого:а) установить нужный пьезоэлемент в специальную подставку для него;б) подключить статический вольтметр к электродам пьезоэлемента, используя подводящие контакты и электрические провода-соединители;в) включить статический вольтметр в сеть питания 220 В;г) нагрузить пьезоэлемент, используя набор грузов заранее определенной массы;д) произвести на короткое время электрическую закоротку пьезоэлемента и произвести снятие механической нагрузки с пьезоэлемента (поднять груз);е) зафиксировать показания статического вольтметра.Опыт повторить пятикратно на каждом грузе и для каждого типа пьезоэлемента.8По результатам измерений определить средние значения напряжений, снимаемых спьезоэлемента и определить к какому виду они относятся (Представлено два вида пьезокерамических пьезоэлемента: из титаната бария - BaTiO3 и из цирконата - титаната свинца(ЦТС-19) – твердый раствор Pb(Ti, Zr)O3 , по два типоразмера каждого вида).Заполнить таблицу основных параметров используемых пьезоэлементов.МатериалПлотность,кг/м³Пьезомодуль d33 ,10¹² , Кл/НОтносительнаядиэлектрическая проницаемость, εДиапазонрабочихтемператур, 0СТемператураКюри,КσСЖ,10-6,Н/мBaTiO3ЦТС-19Задание 2.
Установить экспериментальную зависимость между осевым механическим напряжением, создаваемом на пьезоэлементе из ЦТС-19, и величиной электрическогозаряда (напряжения), вырабатываемого пьезоэлементом. Опыты провести на двух типоразмерах пьезоэлемента.Замеры производить аналогично заданию 1, изменяя массу груза в максимально возможных для лабораторной установки пределах и с минимально возможными интервалами.Произвести статистическую обработку данных, построить экспериментальные графики зависимости получаемого заряда от силы нагружения и определить значение пьезомодуля испытуемых образцов.Задание 3.
Посмотреть видеоролик: http://tube.sfu-kras.ru/video/232Контрольные вопросы1. Знать единицы измерения и уметь определять размерности (в системе СИ) физических величин по данной теме (давление, сила, электрический заряд, напряжение, пьезомодуль и др.). Знать закономерные взаимосвязи указанных физических величин.2. Охарактеризуйте прямой и обратный пьезоэффекты. Когда и кем они были открыты?Физическое объяснение указанных эффектов, используемые параметры.3. Материалы и вещества, обладающие пьезоэффектом.
В чем состоит отличие пьезоэлектриков и сегнетоэлектриков?4. Что такое пьезомодуль и его разновидности?5. В каких областях науки и техники применяют пьезоэлементы?6. В чем состоят преимущества керамических пьезоэлементов и пьезопластмасс?97. Явление спонтанной поляризации. Точка Кюри.8. Как производится тарировка пьезодатчиков. Требования к аппаратуре.9. Почему замер пьезомодуля производят не при нагружении пьезоэлемента, а при снятии с него механической нагрузки?10. Что такое коэффициент линейной регрессии и коэффициент корреляции? Их физический смысл.ПРИЛОЖЕНИЕСтатистическая обработка экспериментальных данныхКак правило, эксперимент проводится для того, чтобы подтвердить или отвергнутькакую-либо теоретическую зависимость между опытными величинами.
Если характерфункциональной зависимости подтверждается опытом, возникает необходимость подобратьтакие коэффициенты в уравнении этой связи, которые в наилучшей степени соответствуютопытным данным. Эти задачи решаются стандартными методами корреляционного и регрессионного анализа*. Здесь же кратко рассмотрим процедуру обработки данных и приведем основные термины и формулы.Пусть между двумя опытными величинами х и у теоретически ожидается линейнаязависимость вида:y A0 A1 x ,называемая уравнением линейной регрессии. Коэффициенты А0 и А1 называют коэффициентами регрессии.
Для проверки линейной связи между х и у по опытным данным вычисляюткоэффициент корреляцииnnr ( xi x )( yi y ) /i 1n (xii 122 x ) ( yi y )i 1и связанный с ним параметрT r (n 2) /(1 r 2 ) .Здесь n - число экспериментальных точек. xi и yi - результаты i - го измерения (координаты i -й экспериментальной точки на графике), x и y - средние значения координат,определяемые формуламиnnx xi ; y yii 1i 110Значения r лежат в пределах – 1< r <1 . Большим значениям | r | соответствует более строгаялинейность, при | r | = 1 зависимость абсолютно линейна, при r = 0 линейная связь отсутствует. При r > 0 у увеличивается с ростом х, при r < 0 - уменьшается.С помощью параметра Т определяют вероятность соблюдения линейной зависимости.
Если Т > tP,v - коэффициента Стьюдента для доверительной вероятности Р и числастепеней свободы v n 2 , то зависимость имеет место с вероятностью большей или равной Р .Число экспериментальных точек n должно быть не меньше 3, иначе вопрос о линейности теряет смысл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
