Пьезоэлектрические преобразователи

Принцип действия пьезоэлектрического преобразователя. Пьезоэлектрическим преобразователем называются кристаллы и текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект).

Пьезоэффект обладает знакочувствительностью, т.е происходит изменение знака заряда при замене сжатия растяжением и изменение знака деформации при изменении направления поля.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кристаллические вещества (кварц, сегнетова соль, турмалин), а также искусственно созданная и специально электризуемая пьезокерамика (титонат бария, титонат свинца).

Пьезоэлектрический преобразователь представляет собой пластинку, изготовленную из пьезоэлектрического материала, на которой имеются два изолированных друг от друга электрода.

В зависимости от вещества, формы преобразователя и ориентации кристаллических осей входной величиной могут быть 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.

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 могут быть симметричны относительно некоторой оси, плоскости или центра. В соответствии с видом симметрии по определенным законам построена кристаллическая решетка и расположены ионы. В направлении оси Х ионы различных знаков чередуются и взаимно компенсируют свои заряды. При действии на кристалл силы F_x в направлении Х кристаллическая решетка деформируется, расстояния между положительными и отрицательными ионами изменяются и кристалл электризуется в этом направлении. На его гранях, перпендикулярных оси Х, появляется заряд

q = d ₁₁ F_x, (5.11)

пропорциональный силе F_x. Коэффициент d ₁₁ зависящий от вещества и его состояния, называется 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 называется прямым пьезоэффектом. Вещества, обладающие пьезоэффектом, называются пьезоэлектриками. Для изготовления измерительных преобразователей применяют естественные кристаллы кварца и искусственные пьезоэлектрические материалы – пьезокерамики.

Кварц (SiO ₂). При действии на пластинку кристалла кварца сил вдоль электрической оси Х или механической оси Y происходит поляризация кристалла. На гранях, перпендикулярных оси Х, появляются заряды

q = d ₁₁ F_x или q=d ₁₂(Q_x / Q_y) F_y,

где F_x и F_y – соответствующие силы; Q_x и Q_у площади граней, перпендикулярных осям Х и Y; d ₁₁ =d ₁₂ = 2,31´10^-12 К/Н – пьезоэлектрические модули.

Возникновение заряда под действием силы F_x называется продольным пьезоэффектом, возникновение заряда под действием F_y – поперечным пьезоэффектом.

Кварцевая пластинка имеет высокую прочность. Допустимые напряжения могут доходить до (0,7 – 1)´10⁸ Н/м², что позволяет прикладывать к ней большие измеряемые силы. Она имеет большой модуль упругости, что обусловливает ее высокую жесткость и очень малое собственное внутреннее трение. Последнее обстоятельство обусловливает высокую добротность изготовленных из кварца пластинок. Кварцевые пластинки используются для изготовления преобразователей, измеряющих давление и силу.

Кварц – материал с высокой твердостью, он трудно обрабатывается и может применяться для изготовления пластинок лишь простой формы. Пьезоэлектрический модуль d практически постоянен до температуры 200° С, а затем с увеличением температуры немного уменьшается. Предельная рабочая температура составляет 500° С. При температуре 573° С (температура Кюри) кварц теряет пьезоэлектрические свойства. Относительная диэлектрическая проницаемость равна 4,5 и несколько увеличивается с увеличением температуры. Удельное объемное сопротивление кварца превышает 10¹² Ом. Электрические и механические свойства кварца имеют высокую стабильность. За 10 лет изменение характеристик не превосходит 0,05%.

Пьезоэлектрическая керамика. Пьезокерамика имеет доменное строение, причем домены поляризованы. При отсутствии внешнего электрического поля поляризация отдельных доменов имеет хаотическое направление и на поверхности изготовленного из пьезокерамики тела электрический заряд отсутствует. В электрическом поле домены ориентируются в направлении этого поля, вещество поляризуется и на поверхности тела появляются заряды. При снятии поля домены сохраняют свою ориентацию, вещество остается поляризованным, но поверхностный заряд с течением времени стекает. Если к телу, изготовленному из пьезокерамики, после обработки его в электрическом поле приложить механическую нагрузку, то под ее действием домены изменяют свою ориентацию и изменяется поляризация вещества. Изменение поляризации вызывает появление заряда на поверхности тела. Тело, изготовленное из поляризованной керамики, при воздействии механической силы электризуется так же, как и естественные пьезоэлектрические монокристаллы.

Типичной пьезоэлектрической керамикой является титанат бария ВаTiO ₃. Его пьезоэлектрический модуль лежит в пределах d ₃₁ = (4,35¸8,35)´10^-11 К/Н; диэлектрическая проницаемость – в пределах е_r =1100 ¸1800; тангенс угла диэлектрических потерь, характеризующий внутреннее удельное сопротивление, – в пределах tgd = 0,3 ¸ 3%. Зависимость возникающего заряда от приложенной силы имеет некоторую нелинейность и гистерезис. Свойства пьезокерамик зависят также от их технологии и поляризующего напряжения.

Большинство пьезокерамик обладает достаточной температурной стабильностью. Пьезоэлектрические свойства сохраняются вплоть до температуры Кюри. Для титаната бария она равна 115° С. С течением времени параметры пьезокерамики самопроизвольно изменяются. Старение определяется изменением ориентации доменов. Изготовление преобразователей из пьезокерамики значительно проще, чем из монокристаллов. Керамические изделия делаются путем прессования или литья под давлением: на керамику наносятся электроды, к электродам привариваются выводные провода. Отличие заключается в электрической обработке. Для поляризации изделие помещается в электрическое поле напряженностью 10⁵ – 10⁶ В/м.

Рис. 5.35. Пъезоэлекрический датчик давления

Конструкция пьезоэлектрических датчиков. Пьезоэлектрические датчики применяются для измерения давления, силы, ускорения. На рис. 5.35 показано устройство пьезоэлектрического датчика давления с двумя кварцевыми пластинами. Измеряемое давление действует на мембрану 1, представляющую собой дно корпуса датчика. Кварцевые пластины 2 зажаты между металлическими прокладками 3. Средняя прокладка 3 соединена с выводом 4, проходящим через экранированную втулку 5 из изоляционного материала. Крышка 6 соединяется с корпусом и через шарик 7 передает давление пластинам, благодаря чему измеряемое давление распределяется по поверхности кварцевых пластин более равномерно.

Кварцевые пластины обычно расположены таким образом, что в измерительную схему подается отрицательный потенциал. Положительный потенциал подается на корпус датчика. Для уменьшения утечки зарядов необходима очень качественная изоляция. С этой же целью поверхность кварцевых пластин тщательно полируют. Использование двух и больше пластин повышает выходную ЭДС, поскольку выходные сигналы пластин складываются.

На рис. 5.36 показан пьезоэлектрический датчик ускорения, используемый в виброизмерительной аппаратуре. Пьезоэлемент 1 из титаната бария расположен в корпусе прибора 2 между инерционной массой 3и подпятником 4.Для увеличения силы, действующей на пьезоэлемент при ускорениях, инерционная масса имеет относительно большие размеры и изготовлена из вольфрама. Пакет из инерционной массы 3,пьезоэлемента 1 и подпятника 4прижат к основанию корпуса гайкой 5 через сферическую пяту 6, изоляционную прокладку, пружинную шайбу и контактную пластину. Вывод сигнала выполнен с помощью специального антивибрационного кабеля.

Рис. 5.36. Пьезоэлектрический датчик ускорения

Датчик измеряет ускорения от 0,2 до 200 g. Коэффициент преобразования порядка 8 мВ на 1 g. Минимальная частота виброускорений 5 Гц.

Устройства и измерительные цепи. Пьезорезонатор представляет собой изолятор с двумя обкладками в виде накопленного заряда (конденсатор) с большим выходным сопротивлением. Поэтому измерительные цепи пьезодатчиков выполняются в виде усилителей напряжения с высокоомным выходом (рис. 5.37). В этой цепи используется инвертирующий усилитель на основе операционного усилителя с входным каскадом на полевом транзисторе. Наиболее высокое входное сопротивление до 10¹³ – 10¹⁵Ом обеспечивают МОП – транзисторы, но они имеют высокий уровень шумов, чем полевые транзисторы с p – n– переходом типа КП303Г, входное сопротивление которого составляет не менее 10¹¹Ом. Поэтому с высокочувствительными датчиками применяют транзисторы с p–n– переходом.

Рис. 5.37. Измерительная цепь пьезодатчика.

Основной недостаток схемы с усилением напряжения – зависимость выходного напряжения от емкости кабеля (70–150^–12Ф на каждым метр длины кабеля), которая может существенно измениться в зависимости от положения кабеля и таких внешних факторов, как температура и влажность, емкость пьезокварцевого датчика, которая не превышает 5–50 пикофарад.

Емкость пьезокерамических пластин может достигать 1000 пикофарад. Однако значение ёмкости менее стабильно, чем для кварцевых пластин и может меняться от температуры.

Чтобы уменьшить нестабильность чувствительности параллельно входу операционного усилителя включается дополнительная стабильная ёмкость С ₁, значение которой определяется допустимой погрешностью чувствительности. Таким образом, выходное напряжение операционного усилителя и чувствительность преобразователя при заданной нестабильности ёмкости определяются допустимой погрешностью.

Важной характеристикой измерительной цепи является постоянная времени:

.

Для измерительной цепи с усилением напряжения сопротивление R определяется параллельно соединённым сопротивлением изоляции датчика, кабеля, входным сопротивлением усилителя и сопротивлением R ₃.

Пьезоэлектрический преобразователь является генераторным преобразователем, вырабатывающим ЭДС. Для преобразования ее в приборе имеется вторичный преобразователь, который должен иметь большое входное сопротивление. Эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя, соединенного измерителем, представлена на рис. 5.38.

Рис. 5.38. Эквивалентная схема замещения пьезоэлектрического преобразователя: C₀ – емкость между гранями пьезоэлектрика; С_к – емкость кабеля между жилой и экраном; С_вх – входная емкость измерительной цепи; R₀ – сопротивление преобразователя; R_к – сопротивление изоляции кабеля; R_вх – входное сопротивление измерительной цепи

Для данной эквивалентной схемы замещения пьезоэлектрического преобразователя емкость преобразователя С определяется не только емкостью между гранями пьезоэлектрика С ₀, но и емкостью корпуса пьезоэлектрического преобразователя. Емкость С ₁ определим как суммарную емкость соединительного кабеля С _к, входной емкости усилителя С _вх и других емкостей, шунтирующих вход усилителя. Сопротивления утечки пьезоэлемента и сопротивление утечки кабеля могут рассматриваться как составляющие сопротивления R _вх. Входным напряжением усилителя является падение напряжения на сопротивлении R _вх.

Произведем оценку параметров элементов данной схемы замещения. Так, собственное сопротивление пьезоэлемента R ₀ определяется удельным сопротивлением материала пластин и их поверхностным сопротивлением. Первая составляющая для кварца (10¹⁵–10¹⁶ Ом) значительно больше второй, поэтому определяющим является поверхностное сопротивление, для повышения которого до R =10⁹¸10¹⁰ Ом преобразователь приходится герметизировать, защищая его поверхность от влажности и загрязнения.

Выходной величиной преобразователя является напряжение на электродах:

E = q / C, (5.12)

где q –пьезоэлектрический заряд; С –емкость, образованная электродами.

Подставляя (5.11) в (5.12), получим функцию преобразования пьезоэлектрического преобразователя:

E = dF / C. (5.13)

Если преобразователь имеет форму плоской пластины, то емкость между его электродами равна

C = е_rе ₀ Q /d, (5.14)

где е_r – относительная диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрического вещества; Q – площадь электродов; d– расстояние между электродами.

Подставляя (5.14) в (5.13), получим функцию преобразования преобразователя:

E =d dF / е_rе ₀ Q.

ЭДС, возникающая на электродах преобразователя, достигает единиц вольт. Однако, если сила постоянна, то измерить ЭДС трудно, поскольку заряд мал и быстро стекает через входное сопротивление вольтметра. Если же сила переменна, то образуется переменная ЭДС, измерить которую значительно проще. Если при этом период изменения силы много меньше постоянной времени, определяемой емкостью преобразователя и сопротивлением утечки заряда, то процесс утечки не влияет на выходное напряжение преобразователя. При синусоидальном законе изменения силы

F = F_m sinw t.

ЭДС изменяется также синусоидально:

E = E_m sinw t.

Изменение переменной силы сводится к изменению переменной ЭДС или напряжения. Если на преобразователь действует синусоидальная сила, то, используя символический метод, выражение (5.13) можно переписать в виде

E = dF / C,

где

= F_me^{j w}; = E_me^{j w}.

Из схемы на рис. 5.38 следует

(5.15)

Выражение (5.15) представляет собой комплексную функцию преобразования эквивалентной схемы пьезоэлектрического преобразователя, подключенного к усилителю. Из него можно определить комплексный коэффициент передачи

где t= R (С + С ₁) – постоянная времени.

Модуль чувствительности, или просто чувствительность, схемы

S (w)= . (5.16)

Это выражение показывает зависимость чувствительности от частоты и является частной характеристикой преобразователя, подключенного к усилителю. Частотная характеристика может быть представлена в виде двух сомножителей

S (w)= S (¥) v (w).

Первый из них представляет собой чувствительность при очень больших частотах и не зависит от частоты, так как при w®¥

S (w)® .

Второй сомножитель v (w)= определяет нормированную характеристику. Он показывает относительное изменение чувствительности при изменении частоты.

Из (5.16) видно, что S =0 при w = 0, т.е. пьезоэлектрические преобразователи неприменимы для измерения статических напряжений. Полученные выражения справедливы на средних и низких частотах, т.е. в тех случаях, когда внутреннее сопротивление пьезоэлемента можно заменить эквивалентной емкостью.

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 t. Для улучшения частотных свойств в области нижних частот нужно увеличивать t =R (С+С ₁). Для усиления выходного напряжения пьезоэлектрического преобразователя применяют усилители с максимально возможным входным сопротивлением (не менее 10¹¹ Ом). Дальнейшее увеличение постоянной времени может происходить при увеличении С ₁, для этого вход усилителя шунтируется дополнительным конденсатором. Однако включение этого конденсатора уменьшает чувствительность при больших частотах и требует увеличения коэффициента усиления усилителя. В схеме на рис. 5.37 постоянная времени t =R (С+С ₁) 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 цепи внешними электромагнитными 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. Однако нестабильность емкости кабеля, обусловленная изгибом, 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, может быть значительно уменьшена применением специальных антивибрационных кабелей. Нестабильность измерительной цепи может быть вызвана повышением влажности воздуха или резким изменением его температуры. При этом происходит увлажнение изоляции, что приводит к уменьшению сопротивления R в эквивалентной схеме рис. 5.38. 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 может быть вызвана также несовершенством пьезоэлектрических материалов: гистерезисом характеристики и ее нелинейностью. Если в преобразователе действуют силы, перпендикулярные оси чувствительности пьезоэлемента, то возможна погрешность, обусловленная поперечным пьезоэффектом.

Рис. 5.39. Конструкция пьезорезонатора

Область применения:

1) преобразователи, в которых используется прямой пьезоэффект, применяются в приборах для измерения давления, силы или ускорения (рис. 5.39, а);

2) преобразователи, в которых используется обратный пьезоэффект, применяются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний, т.е. это преобразователи напряжения в деформацию (рис. 5.39, б);

3) преобразователи, в которых используются оба пьезоэффекта (пьезорезонаторы), имеющие максимальных коэффициент преобразования одного вида энергии в другой на резонансной частоте и резко уменьшающийся коэффициент преобразования при отступлении от резонансной частоты (рис. 5.39, в). Достоинством данного устройства является большая стабильность частоты опорного генератора. Точность 10^-5 – 10^-6. Данные преобразователи применяются в качестве фильтров, пропускающих очень упругую полосу частот. Пьезорезонаторы, включённые в цепь положением обратной связи усилителя, работают в режиме автоколебания и образуют генераторы.

Дата добавления: 2014-12-16