Количество просмотров публикации Пьезоэлектрические преобразователи - 623
Прямой пьезоэлектрический эффект. В кристаллических диэлектриках различно заряженные ионы располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Поскольку разноименно заряженные ионы чередуются и расположены так, что их заряды взаимно компенсируются, в целом кристалл электрически нейтрален. Одной из особенностей кристаллов является их симметрия. Кристаллы бывают симметричны относительно некоторой оси, плоскости или центра. В соответствии с видом симметрии по определенным законам построена кристаллическая решетка и расположены ионы. Электрическая структура кристалла, симметричного относительно оси или плоскости, схематически показана на рис. 4.20. В направлении оси X ионы различных знаков чередуются и взаимно компенсируют свои заряды. При действии на кристалл силы Fxв направлении X кристаллическая решетка деформируется, расстояния между положительными и отрицательными ионами изменяются и кристалл электризуется в данном направлении. На его гранях, перпендикулярных оси X, появляется заряд
q=d11Fx (22)
пропорциональный силе Fx. Коэффициент d11, зависящий от вещества и его состояния, принято называть пьезоэлектрическим модулем. Индексы при коэффициенте d определяются ориентацией силы и грани, на которой появляется заряд, относительно кристаллических осей. При изменении ориентации пьезоэлектрический модуль изменяется.
Электризация кристалла под действием внешних сил принято называть прямым пьезоэффектом. Вещества, обладающие пьезоэффектом, называются пьезоэлектриками. Для изотовления измерительных преобразователей наибольшее применение нашли естественные кристаллы кварца и искусственные пьезоэлектрические материалы — пьезокерамики.
Принцип действия пьезоэлектрического преобразователя. Действие пьезоэлектрического преобразователя основано на прямом пьезоэффекте. Обычно он представляет собой пластинку, изготовленную из пьезоэлектрического материала, на которой имеются два изолированных друг от друга электрода.
Учитывая зависимость отвещества, формы преобразователя и ориентации
кристаллических осей входной величиной бывают как силы, производящие деформацию сжатия-растяжения, так и силы, производящие деформацию сдвига. Последний вид деформации может использоваться в преобразователях, имеющих в качестве входной величины момент силы.
Упрощенная эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя, соединенного кабелем с вольтметром, представлена на рис. 11 На этой схеме С — собственная емкость преобразователя;
С1 — суммарная емкость соединительного кабеля, входной емкости усилителя и других емкостей, шунтирующих вход усилителя; R — входное сопротивление усилителя. Сопротивления утечки пьезозлемента и сопротивление утечки кабеля могут рассматриваться на эквивалентной схеме как составляющие сопротивления R. Входным напряжением усилителя является падение напряжения на сопротивлении к. В случае если на преобразователь действует синусоидальная сила, то, используя символический метод, выражение можно переписать в виде
E=dF/C (21)
Рис. 11
Пьезоэлемент обладает некоторой упругостью и массой и является колебательной системой. Резонансные свойства этой системы проявляются на высоких частотах. Резонанс приводит к повышению чувствительности на высоких частотах. При еще большем увеличении частоты чувствительность падает.
Погрешность пьезоэлектрического преобразователя. Рабочей областью частот является область, в которой чувствительность остается постоянной. Сверху эта область ограничена резонансом пьезоэлемента. Снизу она определяется постоянной времени т. Для улучшения частотных свойств в области нижних частот нужно увеличивать т я R(C + С1). Для усиления выходного напряжения пьезоэлектрического преобразователя применяют усилители с максимально возможным входным сопротивлением (не менее 1011Ом). Дальнейшее увеличение постоянной времени может происходить при увеличении C1; для этого вход усилителя шунтируется дополнительным конденсатором. При этом включение этого конденсатора уменьшает чувствительность при больших частотах S и требует увеличения коэффициента усиления усилителя. В схеме, рассмотренной выше, постоянная времени т = R (С + С1) обычно не превышает 1 с. Использование операционных усилителей с обратными связями позволяет создавать приборы, у которых постоянная времени достигает значений 10 100 с.
Верхняя частота рабочего диапазона определяется увеличением чувствительности вследствие механического резонанса. Она довольно высока. Имеются преобразователи с верхней частотой рабочего диапазона 80 кГц.
В измерительной цени внешними электрома1иитиыми полями может наводиться паразитная ЭДС. Эта переменная ЭДС создает погрешность. Для защиты от полей измерительная цепь экранируется и датчик соединяется с вторичным преобразователем с помощью экранированного кабеля. При этом нестабильность параметров кабеля, к примеру изменение его емкости, обусловленное изгибом, вызывает изменение чувствительности в соответствии с формулой и вносит погрешность.
При изгибах кабеля он может расслаиваться. На расслоенных поверхностях вследствие трения образуются электрические заряды. Перемещение заряженных поверхностей под действием вибрации кабеля приводит к появлению некоторой переменной ЭДС- Погрешность, обусловленная вибрацией кабеля, должна быть значительно уменьшена применением специальных антивибрационных кабелей.
Нестабильность измерительной цепи должна быть вызвана повышением влажности воздуха или резким изменением его температуры. При этом происходит увлажнение изоляции, что приводит к уменьшению сопротивления R в эквивалентной схеме. Изменение R вызывает изменение чувствительности и дополнительную частотную погрешность.
Изменение температуры пьезоэлемента вызывает также изменение его пьезоэлектрического модуля и чувствительности. Наиболее стабильным пьезоэлектрическим материалом является кварц.
Погрешность преобразователя должна быть вызвана также несовершенством пьезоэлектрических материалов: гистерезисом характеристики и ее нелинейностью.
В случае если в преобразователе действуют силы, перпендикулярные оси чувствительности пьезоэлемента͵ то возможна погрешность, обусловленная поперечным пьезоэффектом.
referatwork.ru
Размещено на
Размещено на
Содержание:
Введение
1. Группы пьезоэлектрических преобразователей
2. Явления, происходящие в пьезоэлектрике
3. Пьезоэлектрические материалы
4. Пьезоэлектрические вилочные преобразователи уровня - вибрационные датчики для любых видов жидкости
5. Пьезоэлектрические датчики давления 014МТ, 018, 019
6. Пьезоэлектрический преобразователь: ламбда-зонд
7. Датчик пьезоэлектрический искробезопасный ДПЭ22Ex для измерения виброскорости
8. Глубиномеры микрометрические
Список литературы
Введение
Пьезоэлектрические преобразователи -- это устройства, использующие пьезоэлектрический эффект в кристаллах, керамике или плёнках и преобразующие механическую энергию в электрическую и наоборот.
Пьезоэлектрические преобразователи (рисунок 1) - обеспечивают преобразование энергии электрического поля в механические колебания УЗ частоты.
Рисунок 1. - Конструкции составных пакетных пьезокерамических преобразователей: 1 -- излучающая накладка; 2 -- пьезокерамические пластины; 3 -- отражающая накладка; 4 --электроды; 5 --крепежный болт
Используются для формирования УЗК в жидких, твердых и газообразных веществах. Рабочие частоты от 20 кГц до 1000 кГц. Этот вид преобразователей получил наибольшее распространение, практически вытеснив из практики все остальные преобразователи. Поэтому основное внимание при рассмотрении вопроса об источниках ультразвуковых колебаний мы посвятим преобразователям, основанным на использовании пьезоэлектрического эффекта.
1. Группы пьезоэлектрических преобразователей
Исходя из физического принципа действия, все пьезоэлектрические преобразователи делятся на три группы:
1. Преобразователи, использующие прямой пьезоэффект и применяемые в приборах для измерения параметров механических процессов, в том числе: силы, акустического и быстропеременного давления, линейных и угловых ускорений, а также вибрации, ударов. Преобразователи, основанные на использовании прямого пьезоэффекта, называют преобразователями-генераторами; они имеют механический вход и электрический выход. Прямой эффект используется, например, в микрофонах, звукоснимателях, датчиках механических сил, перемещений и ускорений, бытовых зажигалках для газа и др.
2. Преобразователи, использующие обратный пьезоэффект и применяемые в качестве излучателей ультразвука в гидроакустике и дефектоскопии, преобразователях напряжения в перемещение (пьезодвигатели и пьезореле) для юстировки зеркал оптических приборов и исполнительных элементов систем автоматики. Преобразователи, основанные на использовании обратного пьезоэффекта, называют преобразователями-двигателями; они имеют электрический вход и механические выходы. Обратный эффект послужил основой для создания телефонов, громкоговорителей, ультразвуковых излучателей, реле, двигателей и т. п.
3. Преобразователи параметрического типа, использующие одновременно прямой и обратный пьезоэффекты - пьезоэлектрические резонаторы, наиболее эффективно излучающие и принимающие энергию на фиксированной резонансной частоте. Пьезорезонаторы применяются в полосовых фильтрах, линиях задержки, преобразователях перемещения или присоединенной массы в частоту для датчиков уровня, плотности и др.
Достоинствами пьезоэлектрических преобразователей являются высокая линейность характеристик, широкие динамические и частотные диапазоны, простота конструкции и высокая надежность при эксплуатации.
Работа пьезоэлектрических преобразователей основана на использовании пьезоэлектрического эффекта, представляющего собой способность некоторых материалов образовывать на гранях поверхности при механическом нагружении электрические заряды (так называемый прямой пьезоэффект), а при приложении электрического поля механически деформироваться (обратный пьезоэффект).
2. Явления, происходящие в пьезоэлектрике
Рассмотрим в общих чертах явления, происходящие в пьезоэлектрике, для двух случаев пьезоэлектрического преобразования энергии.
Пьезоэлемент (ПЭ) - тело из пьезоэлектрика определенных размеров, геометрической формы и ориентации относительно основных кристаллографических осей (или направления поляризации в случае пьезокерамики, имеющее проводящие обкладки (электроды).
Рис 2. Пьезоэлемент: 1 - пластина из пьезоэлектрика; 2 - электроды из проводящего материала, наложенные на грани пластины
Таким образом, пьезоэлемент представляет собой электрический конденсатор с твёрдым (кристаллическим или керамическим) диэлектриком. Особенностью такого конденсатора является наличие пьезоэлектрических свойств у диэлектрика, заполняющего пространство между электродами. Ниже будет показано, какое значение имеет наличие пьезоэффекта и каким образом он оказывает влияние на электрические и механические характеристики пьезоэлемента. Если пьезоэлемент используется как электромеханический преобразователь, то его ориентацию выбирают исходя из требований достижения наибольшего эффекта. Внешние силы (как механические, так и электрические), воздействующие на пьезоэлемент, могут быть как распределенными, так и сосредоточенными. Распределенные силы позволяют достичь более эффективного преобразования. Поэтому для более эффективной поляризации объема пьэзоэлектрика используют электроды,. покрывающие всю площадь граней пьезоэлемента, а для создания равномерно распределенного механического напряжения - накладки из упругого материала, хорошо прилегающие к граням пьезоэлемента и преобразующие внешние сосредоточенные силы в распределенные.
Внешняя сила вызывает деформацию пьезоэлемента, его поляризацию и возникновение на электродах противоположных электрических зарядов. Величина электрического заряда или возникающего при этом напряжения может быть измерена соответствующим измерительным прибором, присоединенным к электродам пьезоэлемента. Внешняя сила сообщает пьезоэлементу энергию в виде упругой деформации, которая может быть рассчитана, если известны величины воздействующей силы и жёсткость пьезоэлемента. Одновременно с деформацией пьезоэлемента на его электродах возникает электрическое напряжение. Следовательно, часть энергии, сообщаемой пьезоэлементу внешней силой, оказывается электрической и её величина может быть рассчитана, если известны электрическое напряжение на электродах и ёмкость пьезоэлемента.
Внешняя механическая сила, воздействующая на пьезоэлемент, сообщает последнему энергию W0 в виде энергии упругой деформации и энергии заряда ёмкости пьезоэлемента. Если обозначить энергию упругой деформации пьезоэлемента через Wм, а электрическую энергию заряда его ёмкости через Wэ, то полная энергия W0, сообщенная пьезоэлементу, будет равна их сумме. Как во всяком обратимом преобразователе, при этом возникает обратное действие (пьезоэлектрическая реакция), заключающееся в том, что возникшее вследствие прямого пьезоэффекта электрическое напряжение создаёт (уже в результате обратного пьезоэффекта) механические напряжения и деформации, противодействующие внешним силам. Это проявляется в увеличении жесткости пьезоэлемента. Если электрическое напряжение, возникающее вследствие пьезоэффекта, исключить, например, закоротив электроды пьезоэлемента, то обратного пьезоэлектрического действия наблюдаться не будет, следовательно, должно произойти уменьшение жесткости пьезоэлемента.
Подобные же рассуждения можно сделать и для случая обратного пьезоэффекта, т. е. воздействия на пьезоэлемент внешней электрической силы. При этом внешний источник электрической энергии сообщает пьезоэлементу энергию в виде энергии заряда ёмкости пьезоэлемента и механической энергии его упругой деформации. Здесь также имеет место обратное действие. Если воспрепятствовать деформации жестким зажатием пьезоэлемента, то можно обнаружить изменение его ёмкости. Этот факт легко наблюдается у сильных пьезоэлектриков, для слабых же, таких как кварц, изменение ёмкости невелико (около 1%). К этому выводу легко прийти, приняв во внимание термодинамические соображения. Из теории пьезоэлектричества известно, что упругие коэффициенты пьезоэлектриков зависят от электрических условий, как и их коэффициенты диэлектрических проницаемостей зависят от механических условий. Это естественно, так как пьезоэлектричество по определению предполагает наличие связи между упругими и диэлектрическими свойствами. Поэтому описание пьезоэлектрических свойств материала невозможно без привлечения упругих и диэлектрических коэффициентов с указанием граничных механических и электрических условий.
3. Пьезоэлектрические материалы
Важнейшими природными материалами, обладающими пьезоэлектрическими свойствами, являются кварц и турмалин. Из названных материалов особое предпочтение отдается кварцу, имеющему удовлетворительные пьезоэлектрические свойства, очень высокое сопротивление, относительно малую температурную зависимость пьезоизоляционных постоянных, высокую механическую прочность и большой модуль упругости.
Второй природный пьезоматериал турмалин в отличие от кварца имеет не две пьезочувствительные плоскости, а только одну оптическую о...
www.tnu.in.ua
Эти преобразователи относятся к подгруппе генераторных, в их основе посредством механики накапливаются электрические заряды. В результате выделяют следующую взаимосвязь: Q = d· P. В этом случае d является пьезомодулем, а P – усилием. Как правило, материалом выступает кварц, турмалин, смеси отжига, барий, свинец. Чтобы спроектировать пьезоэлектрический преобразователь, необходимо использовать схемы нагрузки: сжатие, изгиб, сдвиг, растяжение.
Для прямого эффекта характерно следующее: используемый кристаллический материал образует решетку за счет заряженных ионов, расположенных в определенном порядке. В процессе разноименные частицы чередуются и производят взаимную компенсацию, в результате получается электрическая нейтральность. Кристаллы имеют особенности, которые обозначены следующим образом:
Если используемый материал в процессе направлен на силу Fx, то он деформируется, расстояние между положительными и отрицательными зарядами меняется, и происходит электризация направления в заданной оси. Все это выражается в формуле q = d11Fx и является пропорциональным для силы. Коэффициент связан с веществом и его состоянием, имеет название – пьезоэлектрический модуль. Индексы определены силой и гранью, но если изменить направление, то эффект станет иным.
Пьезоэлектрический преобразователь при прямом процессе электризует кристаллы под воздействием внешних сил. Этот эффект возникает при влиянии веществ, являющихся электриками. Чтобы изготовить измерительные приборы, понадобятся кристаллы кварца. То есть принцип действия пьезоэлектрического преобразователя следующий: при прямом эффекте воздействие осуществляется через механику, а при обратном происходит деформация кристаллов.
Кристалл может поляризоваться при воздействии на пластинку сил на осях X, Y. Если действует сила Fx, то проявляется продольный эффект, а когда Fy – поперечный, при Fzзарядов не возникает. Кварцевый кристалл располагается на трех осях координат. Чтобы использовать пьезоэлектрические измерительные преобразователи, необходимо вырезать пластинку, которая укажет на эффект. Она имеет следующее описание:
Кварцевые пластинки применяются только в преобразователях, которые измеряют давление и силу. С учетом твердости материал сложно обработать, поэтому из него создают простую форму. Модуль постоянен при неизменяемой температуре. Если она увеличивается, то в этом случае происходит уменьшение модуля. Пьезоэлектрические свойства исчезают при температуре в 573 градуса по Цельсию.
Пьезоэлектрический преобразователь давления имеет следующую структуру:
Мощность на выходе – минимальна, в связи с этим предусматривают усилитель с большим сопротивлением. По сути, напряжение зависит от емкости цепи входа. Характеристики преобразователя указывают на чувствительность и емкость. В основном это заряд и собственные показатели устройства. Если рассчитать суммарно, то получится следующая выходная мощность: Sq= q/F или Uxx = d11·F/Co.
Чтобы расширить диапазон частоты, необходимо измеряемые низкие переменные увеличить в сторону постоянной цепи времени. Подобное действие легко осуществить с помощью включения конденсаторов, которые расположены параллельно с устройством. Правда при этом напряжение выхода снизится. Сопротивление, которое было увеличено, расширит диапазон без утрат чувствительности. Но для его повышения необходимы улучшенные изоляционные качества и усилители с высокоомным входом.
Удельное и поверхностное сопротивления определяют собственное, причем основная составляющая для кварца выше, поэтому пьезоэлектрический преобразователь необходимо герметизировать. В результате повышаются качества, и поверхность защищается от влаги и грязи. Цепи измерения датчиков создавались как высокоомные усилители, в основе которых использовались выходной каскад на полевом транзисторе и неинвертирующий усилитель с операционным устройством. Напряжение поступает на вход и выход.
Однако в этом устаревшем пьезоэлектрическом преобразователе были недостатки:
Напряжение усилителя и чувствительность определяются допустимой погрешностью, если дополнить включенный стабильный объем С1. Формула: ys = (ΔCo+ ΔCk)/(Co+Ck+C1). После преобразования получаем: S=Ubx/F. Если коэффициент увеличивается, соответственно, и эти переменные возрастают. Для измерительной цепи характерно:
Анализируя последнюю переменную, можно предположить, что постоянная линия времени следующая: t ≤ 1c. Сегодня устройства могут использовать с усилителями напряжения пьезоэлектрические датчики для заряда.
Пьезоэлектрический преобразователь имеет следующие достоинства:
В случае с материалом вроде кварца, который близок к идеальному состоянию тела, преобразование механики в заряд электрики возможно с минимальной погрешностью от -4 до -6. Однако развитие высокоточной техники улучшило способность реализовать точность без потерь. В результате можно прийти к выводу, что для измерителей сил, давления и прочих элементов наиболее подходящими являются эти пьезоэлектрические преобразователи.
ПЭП ускорения имеет следующую конструкцию:
Невзирая на массу, датчик достаточно стабилен и плотен. Работает в диапазоне 150 м/с2.
Если необходимо изготовить датчик акселерометра, то важно правильно прикрепить пьезочувствительные пластины к основанию. Это действие осуществляется паянием. Кабель должен соответствовать следующим требованиям:
То есть на вход усилителя не должна производиться тряска кабеля. Измерительная цепь создается симметрично, чтобы не возникало помех. В датчике связь несимметричная, сопротивление выводов и корпуса соединено таким образом, что получается изоляция внешних пластин. Чтобы добиться нужного результата, требуется измеритель выполнить из нечетного количества материалов, которые используются в процессе. Элементы прижимаются к усилителю сквозь отверстия в центральной части и через изоляторы, которые привинчены к корпусу.
Чтобы увеличить чувствительность измерительного прибора, необходимо применить пьезоэлементы с высоким модулем. Этот материал укладывают параллельно в ряд и соединяют металлическими прокладками и пластинами. Для подобного эффекта еще могут применяться вещества, которые работают на изгиб. Однако они имеют низкую частоту и уступают механике сжатия.
Материал может быть биморфным, его обычно собирают последовательно или параллельно, все зависит от положительно расположенных осей. Как правило, это две пластины. Если учитывать нейтральный слой, то над ним вместо пьезоэлемента может использоваться накладка из металла со средней толщиной.
Чтобы измерить сигналы, которые двигаются достаточно медленно, необходимо сделать следующее:
Сегодня пьезоакселерометры – усовершенствованные приборы, которые могут быть высокочастотными, с сильной чувствительностью.
Одним из знаменитых и неисчерпаемых средств получения электричества является энергия волн. Такие станции монтируют непосредственно в водную среду. Это явление связано с солнечными лучами, которые нагревают массу воздуха, благодаря чему возникают волны. Вал данного явления имеет энергоемкость, которая определяется по силе ветра, ширине воздушных фронтов, продолжительности порывов.
Значение может колебаться на мелководье или достигать 100 кВт на один метр. Пьезоэлектрический преобразователь энергии волн работает по определенному принципу. Уровень воды поднимается посредством волны, в процессе воздух выдавливается из сосуда. Затем потоки пропускаются реверсирующейся турбиной. Агрегат вращается по определенному направлению, вне зависимости от движения волн.
Этот аппарат имеет положительную характеристику. До сегодняшнего дня совершенствование конструкции не прогнозируется, потому что эффективность и принцип работы доказаны всеми существующими путями. В процессе технического прогресса, возможно, будут построены плавучие станции.
Этот прибор устроен таким образом, что не требует дополнительных настроек. Он снабжен блоком памяти, который выдает технический результат. Относится к контрольно-измерительным аппаратам. Подобные устройства отличаются по типу, техническим характеристикам, которые составляются на основе данных о конструкции и предназначении с минимальными погрешностями. Все требования учитываются на основе конструкции.
Для всех подобных аппаратов предусмотрена стандартная схема создания: дефектоскоп, корпус, электроды, главный элемент, который скрепляют с основанием, жила, фольга и другие материалы. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь является полезной моделью. Он позволяет получать данные непосредственно с помощью звука, установленного на основании устройства.
Устройства с прямым эффектом используются в приборах, которые измеряют силу, давление, ускорение. У них высокий уровень частоты и жесткости. Аппараты с обратной связью применяют в ультразвуковых колебаниях, преобразовании напряжения в деформацию, уравновешивания. Если одновременно учитывают оба эффекта, то этот вариант подходит для пьезорезонаторов, которые преобразуют один вид энергии в другой достаточно быстро.
Положительные устройства, включенные в обратное направление, работают на автоматических колебаниях и применяются в генераторах. Область их применения обширна, так как они имеют высокую стабильность при правильном создании. Зачастую для достижения нужного эффекта и получения верных сведений используют несколько пьезорезонаторов.
В данных устройствах присутствует огромное количество положительных сторон. Однако они имеют и отрицательные черты:
Расчет пьезоэлектрического преобразователя изначально выводит формулу уравнения для резонансной частоты: Fp= 0.24 ·c·. Толщина пластины: h = Fp · a2 / 0.24 · c = 35 · 103 · 25 · 10-6/ 0.24 · 2900 = 1.257 · 10-3m. Энергетические характеристики высчитываются так: Wак = Wак.уд · S = 40 · 4.53 · 10-3.
fb.ru
