Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем (960722), страница 14
Текст из файла (страница 14)
/. Чувствительные элементы датчиков Принцип действия фототранзнстора основан на усилении фототока коллекторного р — и-перехода. Внутри фототранзистора между его базой и коллектором включен фотодиод, вырабатывающий ток 7ф, который создает токи в цепях транзистора: здесь 1„, 1,— ток в цепи коллектора и эмиттсра соответственно; Ь~1,— коэффициент усиления схемы с общим эмиттером.
Функцию преобразования фотоприемника можно представить в обобщенном виде (рнс. 2.8, б): ~ф ~ффс где Бф — чувствительность фотоприемника, А/лм; Ф вЂ” световой поток, Лм. Ниже привсдсны основные параметры фотоприемников: Длина волны Х в максимуме спектралыюй характеристики Ь'Р.) (рис. 2.9), мкм: для германиевых фотоднодов.....,................,........,.
0,6...1,0 для нндисвых фотодиодов,.................................,.. ~ 3„2 «Тсмновой» ток 1,, мкА.........,..........,...........,............... 50 Чувствительность Яф, А/лм: фотодиодов....,............,.....,. фототранзнсторов ............. Быстродействие ~, с ... 4 1,0 0,8 О,б 0,4 0,2 О 0,6 1,2 1,8 2,4 3,0 Х,мкм Рис. 2.9. Спектральные характеристики фотодиодов на основе германия (/), свинца (2), кремния (3) и индия (4) С)птичсскис ЧЭ позволяют строить высоконадежные и точные датчики .ь'. разрешающей способностью менее О,О! % и диапазоном преобразования 13 до 2 .
В табл. 25 приведена сравни гсльная характеристика оптических ЧЭ, 2. Элементы информационных систем Основные параметры отечественных оптических ЧЭ 2.1.5. Пьезоэлектрические чувствительные элементы Пьезоэлектрическим называется эффект поляризации анизотропного диэлектрика под действием механического напряжения или возникновения в нем механических деформаций под действием электрического поля . В первом случае говорят о лрниом пьезоэффекте, во втором — об обраииом.
Пьезоэффект обладает знакочувствительностыо, т. е. знак заряда меняе.гся при замене сжатия растяжением, а знак деформации — при изменении направления поля. Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кристаллические вещества: сегнетова соль, кварц, турмалин, ниобат лития, а также искусственно создаваемые и специально поляризуемые в электрическом поле пьезокерамики.. титанат бария„титанат свинца, цирконат свинца и т, д. Пьезоэлектрики входят в группу сегнетоэлектриков — кристаллических и керамических диэлектриков, у которых в отсутствии внешнего электрического поля возникает самопроизвольная ориентация дипольных моментов частиц !доменов), входящих в состав кристаллической рещетки. В пьезоэлектронных устройствах обычно используются ультра- и гиперзвуковые волны, а также электромагнитные колебания в частотном диапазоне 1О кГц ...
1,5 ГГц. Для них характерна высокая стабильность параметров. Например„в пьезокерамических генераторах она составляет - 1О, а 5 в кварцевых достигает 1О . ' Пьезозффект был открыт в !880 г, !!. Кюри, исслсдовавп~ем кристаллы ссгнстовой соли. !!сраме пьезодазчнки для измерения избыточного давления и обнаружения подводных объектов предложил использовать П, Ланжевен во время первой мировой войны !9!4— !9! 8 ~ г. В 2О-х годах ХХ в, создают пьезозлектрическис микрофоны, телефоны, граммофонные звукосииматсли, В ! 922 г. американец У. Ксйди использовал пьезозлсктрнческий стержень для стабилизации часготы электронного высокочастотного генератора, Первый керамический пьезоматериал !титанат бария) синтезировали в !944 г. советские ученые Ь.
Вул и И. ! ольдман. 2. 1. Чувствительные элементы дитчиков Пьезоэлектрический ЧЭ 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 пьезоэлектрический ЧЭ в качестве преобразователя динамических параметров — силы, давления, вибрации. Электрическос состояние пьезоэлектрического ЧЭ описывает связь между векторами напряжснности электрического поля Е и поляризации Р: е Е= — Р, О где ао —— 8,85.10 Ф/м — диэлектрическая постоянная.
— 12 Рассмотрим модсль пьезоэффекта на примере кварца. Кристалл кварца имеет ромбоэдрическую решетку. Элементарная кристаллическая ячейка состоит из трех молекул БЮ2, которые, группируясь по две, образуют гексагональную структуру (рис. 2.10, а). В каждой ячейке можно выделить три оси, проходящис через центр и соединяющие два разнополярных иона (см. рис. 2.10, а). Это так называемые электрические оси, или оси х, по которым направлены векторы поляризации Р~, Р2, Рз, До деформации ячейка электрически нейтральна.
Представим каждую ячейку в виде элементарного куба, внутри которого расположены ионы кремния и кислорода. Если к рассматриваемой ячейке вдоль, например, оси х1 приложена равномерно распределенная сила Р'„,то в результате деформации электрическая нейтральность ячсйки нарушается (рис,. 2.10, б).
При этом в деформированном состоянии сумма проекций Р2,и Рз„на ось х1 станет меньше (при сжатии) или больше (при растяжении) длины вектора Р~. Равнодействующей вектора поляризации соответствуют поляризационныс заряды на гранях ячейки. Нетрудно видеть, что та. кая деформация ячейки нс влияет на ее электрическое состояние вдоль оси уз, сумма проекций Р2 и Рз на эту ось равна нулю. Образование поляризационных зарядов на гранях, перпендикулярных ::: оси х~, при действии силы вдоль этой оси называется продольмым пьезоэффектом. У х2 Р У ++++ й 6 в в Рис.
2ЛО. Кристаллическая ячейка пьезоэлсктрнка (а) и схемы ЧЭ, использую':":::,';::::::::,:. щих продольный (б) и поперечный (в, г) пьезоэффекты 2, Элементы информационных систем При приложении силы Ру,например, вдоль оси уз1оси у называются механическими), геометрическая сумма проекций Р2 и Рз на эту ось останется равной нулю, и на гранях пьезоячейки, перпендикулярных оси уз,заряды не образуются. Однако сумма проекций Р~ и Рз на ось х1 не равна длине вектора Р1 . Так, при сжатии ячейки она превышает Р~,в результате на нижней грани образуются положительные заряды, а на верхней — отрицательные.
Рассмотренный эффект образования зарядов на гранях, перпендикулярных нагружасмым, называется поперечным пьезоэффектом (рис. 2.10, в). При одновременном действии сил Р' и Р, 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 перпендикулярной осям х и у оси я, называемой оптической, При механическом напряжении сдвига, деформирующем ячейку, геометрическая сумма проекций Р2„и Рз„на ось х~ равна длине направленного вдоль той же оси вектора Р|, и на гранях, перпендикулярных ей, заряд не возникает.
Однако проекции Р2 и Рз на ось уз не равны между собой, и на гранях, перпендикулярных оси уз, 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 () является вектором и описывается тремя компонентами Я = Я, Д2, Дз)~: где и — плотность заряда; ю — площадь грани ячейки; Р— матрица пьезомодулсй; о — вектор напряженного состояния. Плотность заряда как параметр, не зависящий от размеров граней, является наиболее точной характеристикой пьезоэффекта, поэтому ее используют в качествс функции преобразования пьезоэлектрического ЧЭ.
Для кажб дой компоненты вектора и справедливо д; = ~~~ И,"ст;, ~ ==1, 2, 3„~' =1, 2„..., 6. В частности, для д~ получаем Ч1 4!о! + о! 2о2 + "+ Абоб* Тогда, например, при сжатии вдоль оси х1 плотность заряда на гранях, перпендикулярных этой оси, будет равна О~ — — И~ ~ст~, при сжатии вдоль оси уз 2. Е. Чувеияипгельные элементы дитчиков ц1 = д12о2, при всестороннем сжатии гЕ1 — — И1 1О1 + И12а2+ И1зоз и, наконец„ при сдвиге д1 — — И14о4. Наиболее интересен поперечный пьезоэффект (см. рис.
2.10, г). Для него заряд Я можно увеличить выбором относительных размеров пьезоэлемента, т. с. длин ребер Е, Е, . Действительно, Р Р' (Е Е„) Р'1 а1 СЕ1 51 Л! гЕ12 И1 2 гЕ1 2 а2 Е Ех Е Матрица пьезомодулей 0 (или пьезоэлектрических коэффициентов И; ) имеет размерность 3 х 6. Для уменьшения количества ненулевых коэффициентов матрицы используют специальные срезы кристалла. В частности, кварц Х-среза наиболее чувствителен к продольным деформациям.
Сечение, в когором матрица пьезомодулей наиболес разрежена, получило название сечения Кюри. В нем, например, для кварцевой пластинки имеем — О Д1 ΠΠΠ— О О 0 0 "Е14 И11 0 0 О О 0 0 где 011 —— 2,3цКл/И; 014 = — 0,7 пКл/Н; здесь учтено, что сЕ12 — — — сЕ11, И2~ = =- Е14. гЕ2б = — 2 Е11. Пьезоэлектрические параметры ЧЭ зависят от материалов, из которых они изготовлены (табл. 2.6).
Тиблица 2.6 Характеристики материалов пьезоэлектрических ЧЭ Примечание. Здесь и далее в аналогичных таблицах с — скорость звука в материале; Р, ег и 4з — плотность материала, его относительная диэлектрическая проницаемость и пьсзомолуль соотвсгстаенно. Особенностью пьезоэлектрических датчиков (динамометров, акселерометров, генераторов и др.) является совмещение функций упругого и ЧЭ, что нехарактерно для датчиков на основе других преобразователей. Использование совмещенного ЧЭ позволяет повысить точность измерения из-за бтсутствия' переходных соединений. Такая конструкция обладает малым б9 2. ЗлюиинРиы ийфОР»иициОиньи сисж~»м внутренним трением.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
