- •1 Часть. Электромагнитные преобразователи информации Лекция №1.Определения магнитных величин. Эталоны. Параметры магнитного поля
- •Лекция № 2. Классификация электромагнитных измерительных преобразователей Преобразование параметров магнитного поля в электрический сигнал
- •Лекция №3. Индукционные измерительные преобразователи
- •5 Уравнение:
- •Лекция №4. Индукционные измерительные преобразователи (продолжение)
- •Лекция №5. Магнитомодуляционные измерительные преобразователи
- •Лекция №6. Феррозонд на основе магнитного компаратора
- •Лекция №7. Макроквантовые измерительные преобразователи
- •Лекция № 8. Вихретоковые индуктивные преобразователи
- •Лекция №9. Индуктивные измерительные преобразователи
- •Лекция №10. Трансформаторные измерительные преобразователи
- •Лекция №11. Магнитоупругие измерительные преобразователи
- •Лекция №12. Микроквантовые измерительные преобразователи на основе ядерно-магнитного резонанса
- •Лекция №13. Гальваномагнитные преобразователи, основанные на эффекте Холла
- •Лекция № 14. Магниторезистивные и гальваномагниторекомбинационные преобразователи
- •2 Часть. Лекции по фопи. Лекция 1. Резистивные преобразователи
- •Лекция 2. Тензодатчики
- •Лекция 3. Измерительные цепи тензорезисторов
- •Лекция 4. Пьезоэлектрические преобразователи
- •Лекция 5. Пьезоэлектрические преобразователи силы, давления и ускорения
- •Лекция 6. Пьезорезонансные преобразователи
- •Лекция 7. Измерительные преобразователи, Основанные на использовании Поверхностных акустических волн
- •Лекция 8. Электростатические преобразователи
- •Лекция 9. Емкостные преобразователи
- •Лекция 10. Измерительные цепи емкостных преобразователей
- •Лекция 1. Тепловые преобразователи
- •Лекция 2. Термоэлектрические преобразователи, их принцип действия и применяемые материалы
- •Лекция 3. Терморезисторы, основы их расчета и применяемые материалы
- •Лекция 4. Разновидности термочувствительных элементов и их применение
- •Лекция 5. Оптоэлектрические преобразователи
- •Лекция 6. Источники излучения. Каналы передачи световой энергии в оптических ип
- •Лекция 7. Приемники излучения
- •Лекция 8. Основные структурные схемы оптоэлектрических преобразователей и приборов
Лекция 4. Пьезоэлектрические преобразователи
4-1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Пьезоэлектрическими называются кристаллы и текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект). Пьезоэффект обладает знакочувствительностыо, т. е. происходит изменение знаков заряда при замене сжатия растяжением и изменение знака деформации при изменении направления поля. Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кристаллические вещества: кварц, турмалин, ниобат лития, сегнетова соль и др., а также искусственно создаваемые и специально поляризуемые в электрическом поле пьезокерамики: титанат бария, титанат свинца, цирконат свинца и т. д.
Рис. 4-1. Форма элементарной ячейки кристаллической структуры кварца.
Физическую природу пьезоэффекта рассмотрим на примере наиболее известного пьезоэлектрического кристалла — кварца. На рис. 4-1 показана форма элементарной ячейки кристаллической структуры кварца. Ячейка в целом электрически нейтральна, однако в ней можно выделить три направления, проходящие через центр и соединяющие два разнополярных иона. Эти полярные направления называются электрическими осями или осями x, и по ним направлены векторы поляризации Р1, Р2, и Р3. Если к кристаллу кварца и оси приложена сила Fx, равномерно распределенная по грани, перпендикулярной оси x, то в результате деформации элементарной ячейки ее электрическая нейтральность нарушается.
а б в
Рис. 4-2. Форма элементарной ячейки кристаллической структуры кварца в деформированном состоянии.
При этом, как показано на рис. 4-2,а, в деформированном состоянии ячейки сумма проекций векторов Р2 и Р3 на ось x становится меньше (при сжатии) пли больше (при растяжении) вектора Р1. В результате появляется равнодействующая вектора поляризации, ей соответствуют поляризационные заряды на гранях, знаки которых для сжатия показаны на рис. 4-1. Нетрудно видеть, что деформация ячейки не влияет на электрическое состояние вдоль оси y. Здесь сумма проекций векторов равна нулю, ибо Р2у = Р3y.
Образование поляризационных зарядов на гранях, перпендикулярных оси x, при действии силы по оси x называется продольным пьезоэффектом.
При механических напряжениях, приложенных вдоль одной из осей y (их называют механическими осями), геометрическая сумма проекций векторов Р2 и Р3 на ось y равна нулю, и на гранях пьезоэлемента, перпендикулярных оси y, заряды не образуются. Однако сумма проекций векторов Р2 и Р3 на ось x оказывается не равной вектору Р1.
Так, при сжатии пьезоэлемента, как изображено на рис. 4-2,б, указанная сумма превышает Р1, в результате на нижней грани образуются положительные заряды, а на верхней — отрицательные. Рассмотренный эффект образования зарядов на гранях, перпендикулярных нагружаемым граням, называется поперечным. При равномерном нагружении со всех сторон (например, гидростатическое сжатие) кристалл кварца остается электрически нейтральным. При нагружении по оси z, перпендикулярной осям x и y и называемой оптической осью кристалла, кристалл кварца также остается электрически нейтральным. При механическом напряжении сдвига, деформирующем ячейку так, как показано на рис. 4-1,в, геометрическая сумма проекций векторов Р2 и Р3 на ось x равна вектору Pj, направленному по оси x, и на гранях, перпендикулярных оси x, заряд не возникает. Однако проекции векторов Р2 и Р3 на ось y не равны, и на гранях, перпендикулярных оси y, возникает заряд.
Рассмотрение физической природы пьезоэффекта показывает, что при напряженном состоянии материала заряды принципиально могут возникать между тремя парами граней. Таким образом, поляризационный заряд является вектором и описывается тремя компонентами. Напряженное состояние характеризуется тензором второго ранга с девятью компонентами.
Пьезоэлектрический модуль, определяющий зависимости заряда от напряженного состояния, является тензором третьего ранга и определяется 27 компонентами.
Однако, тензор механических напряжений содержит только шесть независимых компонент, которые обозначаются так:σ11= σ1, σ22=σ2, σ33=σ3, σ23=σ4, σ13=σ5 и σ12=σ6. Это позволяет перейти к упрощенной форме записи пьезомодуля, представив его в виде таблицы, содержащей 18 компонент:
П о таблице пьезомодулей можно рассчитать плотность заряда на всех трех гранях при действии любого напряжения. При сжатии по оси x (рис. 4-3, а) на грани, перпендикулярной этой оси, возникает заряд, плотность которого δ1=d11σ1; при сжатии по оси y (рис. 4-3, б) - заряд δ1=d12σ2, при всестороннем сжатии (рис. 4-3,в) - δ1=d11σ1 + d12σ2 + d13σ3, наконец, при сдвиге (рис. 4-3, г) - δ1=d14σ4.
а
б в г
Рис. 4-3. Образование заряда на гранях пьезоэлемента при действии механических напряжений.
При продольном пьезоэффекте заряд не зависит от размера пьезо-элементов. Так, при сжатии по оси x заряд qx = δ1S1 = S1duF1/S1 =d11F1. При поперечном пьезоэффекте заряд может быть увеличен соответствующим выбором относительных размеров пьезоэлемента, т. е. длин ребер х и у :
q1 = δ1S1=S1d12F2/S2 = d12F2(zy)/(zx) = d12F2y/x.
В общем виде плотность заряда определяется формулой:
δi = dijσj , где (i= 1, 2, 3; j= 1, 2, 3, 4, 5, 6).
Индекс пьезомодуля dij означает, что рассматривается заряд на грани i при действии напряжения вдоль оси j. При определении знаков заряда за положительное направление поля принимается направление поля вне пьезоэлемента, совпадающее с положительным направлением соответствующей оси. Обратный пьезоэффект также определяется по матрице пьезомодулей. При приложении электрического ноля напряженностью Е1 между гранями y—y, или х—х, происходит деформация элемента в направлении оси x, равная е1 = d11E1.
Удобно привести следующую схему, объединяющую пьезоэлектрические уравнения:
|
|
ε1 |
ε2 |
ε3 |
ε4 |
ε5 |
ε6 |
|
|
σ1 |
σ2 |
σ3 |
σ4 |
σ5 |
σ6 |
E1 |
δ1 |
d11 |
d12 |
d13 |
d14 |
d15 |
d16 |
E2 |
δ2 |
d21 |
d22 |
d23 |
d24 |
d25 |
d26 |
E3 |
δ3 |
d31 |
d32 |
d33 |
d34 |
d35 |
d36 |
Симметрия структуры веществ приводит к сокращению числа независимых компонент в матрицах пьезомодулем, большая часть компонент оказывается равной нулю. Значения пьезомодулей dij в единицах 10-12 Кл/Н для кварца и титаната бария приведены в табл. 4-1.
Материал |
Значение пьезомодулей dij, 10-12 Кл/Н |
|||||
Кварц |
-2,31 0 0 |
+2,31 0 0 |
0 0 0 |
-0,67 0 0 |
0 0,67 0 |
0 4,62 0 |
Титанат бария |
0 0 -78 |
0 0 -78 |
0 0 190 |
0 250 0 |
250 0 0 |
0 0 0 |
Таблица 4-1
Н аличие полярных направлений в пьезоэлектриках объясняет важность определенной ориентац
φ
θ
а б в
Рис. 4-4. Возможные варианты срезов для пьезоэлементов.
ии граней пьезоэлемента относительно кристаллографических осей кристалла x, y и z.
Форма матрицы и значения пьезомодулей, приведенные в табл. 4-1, относительно осей координат, совпадающих с кристаллографическими осями кристалла. Это значит, что ребра пьезоэлемента должны быть ориентированы по осям x, y и z. Возможные варианты таких срезов для пьезоэлементов в виде пластин показаны на рис. 4-4, а. Эти срезы называются соответственно осям x, y и z-срезами. Для них механические напряжения, действующие на грани, совпадают по направлениям с кристаллографическими осями. Если пластина вырезана произвольно и напряжения действуют в системе координат ox', oy' и oz' (рис. 4-4, б), то тензор пьезомодуля должен быть преобразован к другой системе координат. Для такого преобразования необходимо вернуться к тензорной системе записи.
а б
в
Рис. 4-5. Область применения пьезоэлектрических преобразователей.
Область применения пьезоэлектрических преобразователей весьма обширна.
Преобразователи, в которых используется прямой пьезоэффект (рис. 4-5, а), применяются в приборах для измерения силы, давления, ускорения.
Преобразователи, где используется обратный пьезоэффект, применяются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний, преобразователей напряжения в деформацию, например, в пьезоэлектрических реле, исполнительных элементах автоматических систем, перемещающих зеркала оптических приборов (рис. 4-5, б), обратных преобразователей приборов уравновешивания и т. д.
Преобразователи, в которых используются одновременно прямой и обратный пьезоэффекты — пьезорезонаторы, имеющие максимальный коэффициент преобразования одного вида энергии в другой на резонансной частоте и резко уменьшающийся коэффициент преобразования при отступлении от резонансной частоты, применяются в качестве фильтров, пропускающих очень узкую полосу частот (рис. 4-5, в).
Пьезорезонаторы, включенные в цепь положительной обратной связи усилителя, работают в режиме автоколебаний и используются в генераторах. В зависимости от типа кристалла, среза и типа возбуждаемых колебаний пьезорезонаторы могут выполняться с высокостабильной, не зависящей от внешних факторов собственной частотой и с управляемой собственной частотой. Управляемые резонаторы используются в частотно-цифровых приборах как преобразователи различных, преимущественно неэлектрических (температура, давление) величин в частоту.
В пьезоэлектрических преобразователях используются кварц и различные типы пьезокерамик. Пьезокерамики имеют значительно более высокие по значениям, чем кварц, пьезомодули, но худшие упругие свойства. Модуль упругости пьезокерамнческих материалов Е=(0,65-1,3)x10-11 Па. Добротность, определяемая только механическими потерями, лежит в диапазоне Q=(100 – 300). Тангенс угла потерь (при напряженности Е < 25 кВ/м) для большинства пьезокерамических материалов составляет tg δ=0,02-0,05. Все материалы обладают пьезоэлектрическими свойствами лишь в определенном температурном диапазоне, граница которого определяется точкой Кюри. Для кварца точке Кюри соответствует температура θк=530°С, для пьезокерамик эти температуры значительно ниже. Значения пьезомодулей, определяющие чувствительность наиболее распространенных типов преобразователей, приведены для различных пьезокерамических материалов в табл. 4-2, там же указаны значения диэлектрической проницаемости ε и температуры θ, соответствующие точкам Кюри.
Материал |
ΘК, оС |
ε, ед. εо |
Пьезомодуль, пКл/Н |
||
-d31 |
d33 |
d15 |
|||
ТБ-1 ТБК-3 ТБКС ЦТС 19 ЦТС 21 ЦТС 22 ЦТС 23 ЦТС 24 ЦТС 300 ЦТБС-1 НБС-1 НБС-3 (К0,5 Na0,5) NbO3 |
120 105 160 290 410 330 280 280 330 250 265 270 420 |
1400 1200 450 1400 550 800 1050 1050 1100 3200 1600 1800 420 |
45 – 78 43 27 119 27 50 100 100 95 220 67 40 49 |
100-190 77 77 282 67 100 200 200 280 470 167 100 160 |
260 240 112 380 - - - - 341 - - - - |
Таблица 4-2