Пьезоэлектрические преобразователи

Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на использовании прямого или обратного пьезоэлектрических эффектов. Прямой пьезоэффект представляет собой способность некоторых материалов образовывать электрические заряды на поверхности при приложении механической нагрузки, обратный в изменении механического напряжения или геометрических размеров образца материала под воздействием электрического поля.

В качестве пьезоэлектрических материалов используют обычно естественный материал кварц, турмалин, а также искусственно поляризованную керамику на основе титаната бария (ВаТiO₃), титаната свинца (PbTiO₃) и цирконата свинца (PbZrO₃). Можно использовать и другие материалы.

Количественно пьезоэффект оценивается пьезомодулем K_d, устанавливающим зависимость между возникающим зарядом Q и приложенной силой F,

Q= K_dF. (9.16)

Из пьезоматериалов наиболее распространен кварц, что объясняется его удовлетворительными пьезоэлектрическими свойствами, очень высоким сопротивлением, стойкостью к воздействиям температуры и влажности, высокой механической прочностью. Кварц имеет незначительный коэффициент линейного расширения, его пьезомодуль, равный 2,3•10^-12 Кл/Н, практически не зависит от температуры до 200 °С, в диапазоне 200-500 °С изменяется незначительно, при 573 °С становится равным нулю, удельное электрическое сопротивление порядка 10¹⁶ Ом/м, модуль упругости E=7,7×10¹⁰ Па [20, 22, 32].

Пьезокерамика представляет собой продукт отжига спрессованной смеси, содержащей мелко раздробленные сегнетоэлектрические кристаллы. Характерным отличием сегнетоэлектриков является их доменная структура с хаотически ориентированными полярными направлениями доменов. Пьезоэлектрические свойства сегнетоэлектрическая пьезокерамика приобретает после поляризации в электрическом поле.

Механическая прочность пьезокерамики очень высока, но зависит от технологии и качества обработки соприкасающихся плоскостей. Пьезомодуль, диэлектрическая проницаемость и их стабильность зависят от выбора направления поляризации, направления действия силы F и съема заряда Q.

Пьезокерамики на основе ниобата свинца (НБС) и цирконата-титаната свинца (ЦТС) более стабильны, чем на основе титаната бария, однако уступают им в чувствительности. Так, пьезокерамика на основе титаната бария имеет точку Кюри 120 °С при пьезомодуле порядка 100×10¹² Кл/Н, а пьезокерамика ЦТС-19 точку Кюри 290 °С и в два раза более высокое значение пьезомодуля [14, 22].

Все природные пьезоматериалы имеют кристаллическую структуру, которая определяет свойства пьезопреобразователей. Так, кварц имеет кристаллическую структуру, в которой можно выделить шестигранную призму. По отношению к ней в кристалле выделяют три типа осей: продольную, или оптическую ось Z, проходящую через центр призмы, электрические оси Х проходящие через ребра призмы кристалла нормально к оптической оси (три) и механические, или нейтральные, оси

Рис.9.24

Y, нормальные к граням кристалла (их также три). Пьезочувствительный элемент обычно вырезают из кристалла кварца в виде пластины (параллелепипеда), стороны которой параллельны осям кристалла (рис.9.24,а).

В ненапряженном состоянии в пластине все заряды скомпенсированы и она является электрически нейтральной. Если к пластине кварца приложена сила F вдоль оси X, то на ее гранях, перпендикулярных к оси X, возникают разнополярные электрические заряды Q. Значения этих зарядов в пределах упругих деформаций находятся в линейной зависимости от приложенной силы в соответствии с выражением (9.15). Такой пьезоэффект называется продольным. Значения зарядов не зависят от геометрических размеров пластины, а определяются лишь силой F.

Если пластину подвергнуть сжатию по оси Y, то на тех же гранях вновь появятся заряды, но теперь уже противоположного знака (поперечный пьезоэффект). Значение заряда при поперечном пьзоэффекте оказывается равным

Q=-K_d(b/a)F,

где а и b - размеры пьезоэлемента в направлении осей Х и Y. В зависимости от направления действия силы F (сжатие или растяжение) знаки зарядов на гранях пластины будут меняться.

При приложении силы F вдоль оси Z пьезоэффект не наблюдается. Пластина кварца остается также электрически нейтральной при равномерном воздействии на нее со всех сторон (например, при гидростатическом сжатии).

Турмалин (в отличие от кварца) имеет не две, а одну пьезочувствительную плоскость перпендикулярную к оптической оси Z. Благодаря этой особенности турмалин можно применять для измерения всестороннего давления, что делает его незаменимым при измерении давления в жидкостях.

Конструктивно пьезоэлектрический преобразователь давления представляет собой пластину из пьезоматериала. На две ее грани нанесены электроды, с которых снимается заряд или напряжение. Напряжение на обкладках при отсутствии, нагрузки

U₀=Q/C_П (9.17),

где емкость пьезоэлектрического элемента преобразователя C_П=eS_X/a. Здесь e - диэлектрическая постоянная материала пластины; S=hb -площадь грани, перпендикулярной к оси X; а - толщина пластины.

Для увеличения сигнала, поступающего с преобразователя часто пластины шайбы из пьезокерамики компануют в столбик (рис. 9.24,6).

Наряду с преобразователями, в которых пьезоэлемент работает на сжатие-растяжение, применяются конструкции, в которых элемент работает на изгиб и сдвиг (рис. 9.25,а—в). Преобразователь, работающий на изгиб, представляет собой две одинаковые пластины, склеенные между собой. Между ними располагается металлическая фольга. При изгибе такого элемента одна пластина удлиняется, а другая укорачивается. В зависимости от схемы подключения обкладок можно получить либо сумму напряжений (рис. 9.25, а), либо сумму зарядов (рис.9.25,б). Преобразователи, работающие на изгиб, более чувствительны по сравнению с преобразователями, работающими на сжатие. В то же время они уступают последним по прочности и диапазону частот.

Преобразователь, работающий на сдвиг, представляет собой кольцо из керамики 1 (рис. 9.25, в), в которое вклеен внутренний электрод 3 и которое само вклеено во внешний электрод 2. Под действием силы F происходит деформация сдвига плоскостей, параллельных направлению поляризации. Достоинства такого преобразователя, работающего на сдвиг, заключаются в отсутствии зарядов на электродах при боковых воздействиях на датчик.

Рис.9.25

Рис.9.26

Нагрузка, подключаемая к выходу преобразователя, характеризуется сопротивлением R_H и емкостью С_H, зависящей от емкости соединительных проводов, входной емкости усилителя и т. д.

В случае использования кварцевых преобразователей С_П<<С_H, 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

,

где R_Э=R_HR_П/(R_H+R_П); R_П, C_П - сопротивление и емкость пьезоэлектрического элемента преобразователя.

С учетом выражений (9.16) и (9.17)

.

При t=0 (или р=¥) напряжение на нагрузке

U_ВЫХ =K_d F/(C_П+C_H).

Если сила F постоянна, то выходное напряжение падает по экспоненциальному закону до нуля (при t=¥, т. е. при р=0)

,

где U_ВЫХ.0 - напряжение в начале разряда; Сэ - эквивалентная емкость преобразователя.

Чем больше постоянная времени RэСэ, тем медленнее снижается напряжение, что особенно важно при измерении медленно изменяющихся процессов.

Чувствительность пьезоэлектрического преобразователя

К_S == dUвых/dF = K_d/(С_П + С_H).

Для повышения чувствительности преобразователь выполняют из n пластин, располагая их столбиком и соединяя параллельно (рис. 9.25,б) В этом случае будем иметь

Uвых = nQ/(С_П + С_H) = K_dF/(С_П + С_H/n)

или

Uвыx = К^’_SF, где К^’_S = K_d/(С_П + С_H/n)>K_S.

Напряжение на выходе преобразователя сравнительно мало, поэтому обычно требуется его усилить.

Погрешности пьезоэлектрических преобразователей складывается прежде всего из погрешностей от изменения параметров измерительной (цепи емкости Сн), температурной погрешности, вызываемой изменением пьезоэлектрического модуля, погрешности вследствие неправильной установки пластин, погрешности из-за чувствительности к силам, действующим перпендикулярно к измерительной оси преобразователя, и частотной погрешности. В диапазоне низких частот частотную погрешность определяют по формуле:

.

Верхняя граница допустимого частотного диапазона определяется в основном механическими параметрами преобразователя [32]. Пьезоэлектрические преобразователи могут быть выполнены с частотой собственных колебаний f₀=100 кГц, что позволяет измерять механические величины, изменяющиеся с частотой до 7-10 кГц, причем они являются безынерционным звеном [29].

К достоинствам пьезоэлектрических преобразователей необходимо отнести простоту конструкции, малые размеры и стоимость, высокую надежность, возможность измерения быстропеременных величин. Недостатки - невысокая чувствительность, непригодность к измерению статических величин, высокое входное сопротивление измерительной цепи, относительно невысокий уровень выходного сигнала, что требует промежуточных усилителей.

Дата добавления: 2014-01-04