П’єзоелектричні перетворювачі - студопедія

Принцип дії п'єзоелектричних перетворювачів заснований на використанні прямого або зворотного п'єзоелектричних ефектів. Прямий п'єзоефект являє собою здатність деяких матеріалів утворювати електричні заряди на поверхні при додатку механічного навантаження, зворотний в зміні механічної напруги або геометричних розмірів зразка матеріалу під впливом електричного поля.

Як п'єзоелектричних матеріалів використовують зазвичай природний матеріал кварц, турмалін, а також штучно поляризовану кераміку на основі титанату барію (ВаТiO3), титанату свинцю (PbTiO3) і цирконата свинцю (PbZrO3). Можна використовувати і інші матеріали.

Кількісно п'єзоефект оцінюється п'єзомодуль Kd. встановлює залежність між виникаючим зарядом Q і прикладеною силою F,

З п'єзоматеріалів найбільш поширений кварц, що пояснюється його задовільними п'єзоелектричні властивості, дуже високим опором, стійкістю до дій температури і вологості, високу механічну міцність. Кварц має незначний коефіцієнт лінійного розширення, його п'єзомодуль, рівний 2,3 • 10 -12 Кл / Н, практично не залежить від температури до 200 ° С, в діапазоні 200-500 ° С змінюється незначно, при 573 ° С стає рівним нулю, питомий електричний опір близько 10 16 Ом / м, модуль пружності E = 7,7 × 10 10 Па [20, 22, 32].

П'єзокераміка є продукт відпалу спресованої суміші, що містить дрібно роздроблені сегнетоелектрічеськие кристали. Характерною відмінністю сегнетоелектриків є їх доменна структура з хаотично орієнтованими полярними напрямками доменів. П'єзоелектричні властивості сегнетоелектрична п'єзокераміка набуває після поляризації в електричному полі.

Механічна міцність п'єзокераміки дуже висока, але залежить від технології і якості обробки дотичних площин. П'єзомодуль, діелектрична проникність і їх стабільність залежать від вибору напрямку поляризації, напрямки дії сили F і знімання заряду Q.

П'єзокераміки на основі ниобата свинцю (НБС) і цирконата-титанату свинцю (ЦТС) більш стабільні, ніж на основі титанату барію, однак поступаються їм в чутливості. Так, п'єзокераміка на основі титанату барію має точку Кюрі 120 ° С при п'єзомодуль близько 100 × 10 12 Кл / Н, а п'єзокераміка ЦТС-19 точку Кюрі 290 ° С і в два рази вище значення п'єзомодуль [14, 22].

Всі природні п'єзоматеріалів мають кристалічну структуру, яка визначає властивості п'єзоперетворювачів. Так, кварц має кристалічну структуру, в якій можна виділити шестигранну призму. По відношенню до неї в кристалі виділяють три типи осей: подовжню, або оптичну вісь Z, що проходить через центр призми, електричні осі Х проходять через ребра призми кристала нормально до оптичної осі (три) і механічні, або нейтральні, осі

Y, нормальні до граней кристала (їх також три). Пьезочувствітельний елемент зазвичай вирізають з кристала кварцу у вигляді пластини (паралелепіпеда), сторони якої паралельні осям кристала (ріс.9.24, а).

У ненапруженому стані в пластині все заряди скомпенсовані і вона є електрично нейтральною. Якщо до пластини кварцу прикладена сила F уздовж осі X, то на її гранях, перпендикулярних до осі X, виникають різнополярні електричні заряди Q. Значення цих зарядів в межах пружних деформацій знаходяться в лінійній залежності від прикладеної сили відповідно до вираження (9.15). Такий п'єзоефект називається поздовжнім. Значення зарядів не залежить від геометричних розмірів пластини, а визначаються лише силою F.

Якщо пластину піддати стисненню по осі Y, то на тих же гранях знову з'являться заряди, але тепер вже протилежного знаку (поперечний п'єзоефект). Значення заряду при поперечному пьзоеффекте виявляється рівним

де а і b - розміри п'єзоелемента в напрямку осей Х і Y. Залежно від напрямку дії сили F (стиснення або розтягнення) знаки зарядів на гранях пластини будуть змінюватися.

При додатку сили F вздовж осі Z п'єзоефект не спостерігається. Пластина кварцу залишається також електрично нейтральної при рівномірному впливі на неї з усіх боків (наприклад, при гідростатичному стисканні).

Турмалін (на відміну від кварцу) має не дві, а одну пьезочувствітельную площину перпендикулярну до оптичної осі Z. Завдяки цій особливості турмалін можна застосовувати для вимірювання всебічного тиску, що робить його незамінним при вимірюванні тиску в рідинах.

Конструктивно п'єзоелектричний перетворювач тиску являє собою пластину з пьезоматеріала. На дві її межі нанесені електроди, з яких знімається заряд або напруга. Напруга на обкладинках при відсутності, навантаження

де ємність п'єзоелектричного елемента перетворювача CП = eSX / a. Тут e - діелектрична постійна матеріалу пластини; S = hb-площа грані, перпендикулярної до осі X; а - товщина пластини.

Для збільшення сигналу, що надходить з перетворювача часто пластини шайби з п'єзокераміки компанії в стовпчик (рис. 9.24,6).

Поряд з перетворювачами, в яких п'єзоелемент працює на стиск-розтяг, застосовуються конструкції, в яких елемент працює на вигин і зрушення (рис. 9.25, а-в). Перетворювач, що працює на вигин, являє собою дві однакові пластини, склеєні між собою. Між ними розташовується металева фольга. При вигині такого елемента одна пластина подовжується, а інша коротшає. Залежно від схеми підключення обкладок можна отримати або суму напружень (рис. 9.25, а), або суму зарядів (ріс.9.25, б). Перетворювачі, що працюють на вигин, більш чутливі в порівнянні з перетворювачами, що працюють на стиск. У той же час вони поступаються останнім по міцності і діапазону частот.

Перетворювач, що працює на зрушення, виконаний у вигляді кільця з кераміки 1 (рис. 9.25, в), в яке вклеєна внутрішній електрод 3 і яке саме вклеєна в зовнішній електрод 2. Під дією сили F відбувається деформація зсуву площин, паралельних напрямку поляризації. Переваги такого перетворювача, що працює на зрушення, полягають у відсутності зарядів на електродах при бічних впливах на датчик.

Навантаження, що підключається до виходу перетворювача, характеризується опором RH і ємністю СH. яка залежить від ємності сполучних проводів, вхідний ємності підсилювача і т. д.

У разі використання кварцових перетворювачів СП <<СH. а при использовании пьезокерамики, емкостьпьезоэлемента часто сравнима с емкостью нагрузки и даже превышает ее. Эквивалентная схема преобразователя с нагрузкой представлена на рис. 9.26. Для нее можно записать выражение для выходного напряжения

де RЕ = RH RП / (RH + RП); RП. CП - опір і ємність п'єзоелектричного елемента перетворювача.

З урахуванням виразів (9.16) і (9.17)

При t = 0 (або р = ¥) напруга на навантаженні

Якщо сила F постійна, то вихідна напруга падає по експонентному закону до нуля (при t = ¥, т. Е. При р = 0)

де UВИХ.0 - напруга на початку розряду; Се - еквівалентна ємність перетворювача.

Чим більше постійна часу RеСе, тим повільніше знижується напруга, що особливо важливо при вимірюванні повільно змінюються процесів.

Чутливість п'єзоелектричного перетворювача

Для підвищення чутливості перетворювач виконують з n пластин, розташовуючи їх стовпчиком і поєднуючи паралельно (рис. 9.25, б) У цьому випадку матимемо

Напруга на виході перетворювача порівняно мало, тому зазвичай потрібно його посилити.

Похибки п'єзоелектричних перетворювачів складається перш за все з похибок від зміни параметрів вимірювальної (ланцюга ємності Сп), температурної похибки, спричиненої зміною п'єзоелектричного модуля, похибки внаслідок неправильної установки пластин, похибки через чутливість до сил, які діють перпендикулярно до вимірювальної осі перетворювача, і частотної похибки . У діапазоні низьких частот частотну похибка визначають за формулою:

Верхня межа допустимого частотного діапазону визначається в основному механічними параметрами перетворювача [32]. П'єзоелектричні перетворювачі можуть бути виконані з частотою власних коливань f0 = 100 кГц, що дозволяє вимірювати механічні величини, що змінюються з частотою до 7-10 кГц, причому вони є безінерційним ланкою [29].

До переваг п'єзоелектричних перетворювачів необхідно віднести простоту конструкції, малі розміри і вартість, високу надійність, можливість вимірювання швидкозмінних величин. Недоліки - невисока чутливість, непридатність до вимірювання статичних величин, високий вхідний опір вимірювального ланцюга, відносно невисокий рівень вихідного сигналу, що вимагає проміжних підсилювачів.