19114

Пьезоэлектрические преобразователи

Практическая работа

Физика

Лекция №10. Пьезоэлектрические преобразователи Пьезопреобразователи – электромеханические преобразователи принцип действия которых основан на пьезоэлектрическом эффекте – явлении возникновения электрической поляризации под действием механических напряжений. Е

Русский

2013-07-11

246 KB

95 чел.

Лекция №10.

Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезопреобразователи – электромеханические преобразователи, принцип действия которых основан на пьезоэлектрическом эффекте – явлении возникновения электрической поляризации под действием механических напряжений. Если пьезоэлектрическую пластинку с нанесенными электродами (пьезоэлемент) подвергнуть действию  механических напряжений (сжатию, растяжению, сдвигу), то на ее поверхности появятся электрические заряды за счет поляризации (прямой пьезоэффект или эффект Кюри). Приложение электрического напряжения к электродам вызывает механическую деформацию пьезоэлемента (обратный пьезоэффект, эффект Джоуля).

Для изготовления пьезопреобразователей используют следующие классы анизотропных материалов:

  •  анизотропные кристаллы естественного происхождения: кварц, турмалин;
  •  синтетические кристаллы: сегнетова соль, ниобат лития;
  •  поляризованные  поликристаллические сегнетоэлектрики, получаемые методами керамического производства (пьезокерамика): титанат бария , цирконат-титанат свинца  – пьезокерамика ЦТС.

Появились пьезополимерные (обычно пленочные) преобразователи, которые могут быть нанесены на поверхность любого профиля. Наиболее перспективные из них – полимерные пленки ПВДФ.

Пьезоэлектрические свойства преобразователей характеризуют константами, связывающими механические величины:  напряжение  и деформацию  с электрическими: напряженностью электрического поля  и электрической индукцией . Система уравнений,  описывающих работу пьезопреобразователя, должна включать: уравнение движения упругой среды; уравнения, связывающие механические напряжения и деформации; уравнения для прямого и обратного пьезоэффектов.

Так как все пьезоэлектрики существенно анизотропны, их свойства зависят от направления относительно кристаллических осей или осей поляризации, поэтому для описания свойств пьезоэлектрических материалов используют тензорные представления теории электроупругости. Так, компонента тензора механических напряжений  есть -я компонента () силы , действующей на единицу поверхности площадью , перпендикулярной оси , в соответствии с соотношением: . Например, на единичную площадку, перпендикулярную оси  (ось 1), в общем случае могут действовать нормальное напряжение  и касательные (сдвиговые) напряжения  и .

Точно так же компоненты тензора деформаций с совпадающими индексами соответствуют деформациям растяжения – сжатия, а с различающимися индексами – сдвиговым деформациям. Таким образом, тензор деформаций, как и тензор напряжений, характеризуется девятью компонентами, представимыми в форме матрицы:

  ,                                                                        (10.1)

Вторая  запись матрицы, учитывающая равенство компонент ,  более удобна, в ней компоненты  соответствуют линейным деформациям растяжения – сжатия, а компоненты  – сдвиговым деформациям. Такая же запись используется и для тензора напряжений, записываемого в виде условного 6-мерного вектора , где первые три компоненты соответствуют нормальным напряжениям, а три вторые – сдвиговым. При такой упрощенной форме представления закон Гука запишется в виде:

,                                                                                                     (10.2)

где коэффициенты  – константы упругости, общее число которых сокращается до 36. Так как реальные кристаллы обладают симметрией и, кроме того, многие коэффициенты равны нулю, количество констант упругости много меньше максимально возможного их числа. Так, у кварца отличны от нуля 6 компонент, у пьезокерамики ЦТС – 5 компонент.

Диэлектрические свойства кристаллов выражаются тензором диэлектрической  проницаемости , связывающим между собой компоненты векторов индукции и напряженности электрического поля в пьезоэлектрике:

,  или в упрощенной записи ,    (=1,2,3).                (10.3)

Отметим, что значения компонент тензора  зависят от условий механического нагружения пьезоэлемента, а именно, находится он при постоянной по объему механической деформации или подвержен постоянному механическому напряжению, в соответствии с чем различают компоненты  и . Так же и величина константы упругости пьезоэлемента зависит от того, каков электрический режим работы преобразователя, и различается для случаев постоянной электрической индукции  и постоянной напряженности электрического поля , что отражается соответствующим индексом при обозначении константы:  и .

Пьезоэлектрические свойства преобразователей характеризуются следующими константами, связывающими электрические и механические величины в прямом и обратном пьезоэффектах:

  1.  Пьезоконстанта  давления , связывающая напряженность электрического поля с величиной механического напряжения :

.                                                             (10.4)

Размерность константы . Индекс  характеризует направление ориентации электрического поля (оно определяется расположением электродов на поверхностях пьезоэлемента),  а индекс  – направление воздействия механических напряжений, причем для нормальных напряжений в направлении пространственных осей используют индексы 1, 2, 3, а для сдвиговых в тех же направлениях – индексы 4, 5, 6. По значению пьезоконстанты можно рассчитать электрическое напряжение на электродах пьезоэлемента при известном силовом воздействии.

  1.  Пьезоконстанта деформации , определяющая величину напряженности электрического поля при единичной деформации пьезоэлемента:

                                                 (10.5)

Размерность .

  1.  Пьезомодуль , дающий величину деформации пьезоэлемента в направлении , вызванной электрическим полем единичной напряженности в направлении :

,                                                    (10.6)

Размерность .

  1.  Пьезоэлектрическая константа , характеризующая механические напряжения в пьезоэлементе при возбуждении в нем электрического поля единичной напряженности (размерность пьезоконстанты ):

                                                     (10.7)

Существуют еще четыре соотношения, из которых могут быть определены константы . Так, пьезомодуль  является коэффициентом пропорциональности между электрической индукцией  и механическим напряжением  в соответствии с уравнением, описывающим прямой пьезоэффект:

 .                                                                                                     (10.8)

Следовательно, пьезомодуль может быть определен из соотношений:

.                                                                                  (10.9)

Индексы при производных означают условия, при которых возможно определение  значений пьезомодуля: – постоянство напряженности электрического поля,  – постоянство механических напряжений. Последнее условие означает, что приведенные соотношения справедливы для квазистатических деформаций, когда  во всем объеме пьезоэлемента. Это соблюдается тогда, когда частота возбуждения значительно меньше низшей резонансной частоты  пьезоэлемента, определяемой исходя из условия возникновения в нем стоячей волны:

  ,                                                                                           (10.10)

где  – характерный размер датчика, например его толщина, на которой укладывается половина длины волны;  – скорость звука в материале преобразователя.  Произведение  называют частотной постоянной, численно равной половине скорости звука в материале преобразователя.

Важнейшей характеристикой пьезоэлектрика является коэффициент электромеханической связи, характеризующий эффективность преобразования электрической энергии в механическую  и обратно. Квадрат  равен отношению электрических напряжений на пьезоприемнике и пьезоизлучателе при условии, что вся механическая энергия, сообщаемая окружающей среде пьезоизлучателем, воспринимается пьезоприемником. Коэффициент электромеханической связи имеет различное значение для разных видов деформирования.

Среди других характеристик пьезопреобразователей укажем:

  •  температуру  Кюри , при нагреве выше которой  пьезоэлектрические свойства преобразователей исчезают;
  •  скорость звука в материале датчика, определяемая константами упругости и плотностью материала;
  •  относительную диэлектрическую проницаемость  материала пьезодатчика, определяющую его собственную емкость. Емкость пьезопластины толщиной  и площадью одной стороны  равна: .

На практике при  использовании соотношений (10.4) – (10.9) следует иметь в виду следующее: пьезоэлементы из разных материалов, имеющие простую геометрическую форму (пластина, диск, стержень), определенным образом ориентированы относительно осей , условно обозначаемых цифрами 1, 2, 3. Пластина кварца, например, вырезается так, что ось   кристалла (ось 1) совпадает с ее толщиной (кварц среза).

Пластина керамики ЦТС изготавливается так, что ось поляризации (ось , ось 3) ориентирована перпендикулярно граням, на которые нанесены электроды, и тоже совпадает с толщиной пластины.  Поэтому при  колебаниях преобразователей вдоль оси  ориентация механических напряжений и электрических полей совпадают. Соответственно совпадают и индексы  и  в соотношениях для пьезоконстант.

Например, прямой пьезоэффект для кварцевой пластины среза, деформируемой по толщине (смотри рисунок), в  статическом режиме описывается выражением:

,                                                                             (10.11)

где  разность потенциалов, возникающая на электродах; напряженность электрического поля в пластине; толщина пластины; механическое напряжение, деформирующее пластину; пьезоэлектрическая константа давления кварца. Поскольку соотношение (10.11) справедливо для режима работы пьезопреобразователя с разомкнутыми электродами (или их замыкании на очень большое сопротивление), то пьезоконстанта давления  характеризует чувствительность пьезоприемника к давлению в режиме холостого хода. Для регистрации сдвиговых напряжений используют кварцевые пластины среза, которые характеризуются значениями констант .

В случае использования для регистрации механических напряжений и деформаций пьезокерамики типа ЦТС  эффективно «работать» будут константы:  . Так, величина деформации в пьезокерамической пластине толщиной  при прикладывании внешней разности потенциалов  определится из выражения:

.                                                                              (10.12)

5


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75409. Вводные слова и основания для их выделения в особую часть речи 29 KB
  Вводные слова и основания для их выделения в особую часть речи. Как особая часть речи нередко рассматриваются вводные или модальные слова. Это неизменяемые слова производные от слов иных частей речи при помощи которых выражается субъективное отношение говорящего к высказыванию или его части с точки зрения достоверности недостоверности т. Как правило эти слова выступают в синтаксической функции вводного слова: вопервых итак разумеется вернее дескать всего подобных слов около трёхсот.
75410. Проблема местоимений как особой части речи. Особенности местоименной семантики и функции местоименных слов. Основания для их разведения по разным частям речи 12.67 KB
  Термин местоимение в грамматической науке употребляется также применительно к более широкому кругу слов, чем местоимения-существительные: местоимениями называются слова – существительные, прилагательные, числительные
75411. Проблема слов «категории состояния». Их признаки и основания для выделения в особую часть речи. Понятие «предикатив» и его соотношение с «категорией состояния» 13.23 KB
  Проблема слов категории состояния. Понятие предикатив и его соотношение с категорией состояния. Категория состояния это класс слов которые обозначают независимый признак состояние душевное физическое или эмоциональное состояние человека окружающей среды и природы и не имеют форм словоизменения склонения и спряжения но могут с помощью глаголасвязки выражать значение времени. При характеристике категории состояния как части речи основная трудность связана с необходимостью отграничивать эти слова от омонимичных им форм...
75412. Наречие как часть речи. Проблема компаратива 17.62 KB
  Главным формальным признаком наречия как части речи является отсутствие словоизменения. Исключение составляют наречия образующие формы сравнительной степени. По своему общему значению непроцессуального признака наречия близки прилагательным. Этим значением определяются синтаксические функции наречий: вопервых они определяют глагол имя или другое наречие соединяясь с ним связью примыкания; вовторых наречия свободно употребляются в функции сказуемого; втретьих наречия определяют предложение в целом.
75413. Глагол как часть речи. Принципиальное отличие глагола от имени. Особенности глагольной основы. Классы глаголов 46 KB
  Глагольные спрягаемые формы чаще всего в предложении выполняют предикативную функцию. По образованию глагольные формы распадаются на две группы в зависимости от образующей основы которая может выступать в двух вариантах: как основа неопределенной формы и как основа настоящего времени. Основа неопределенной формы определяется путем устранения аффиксов ть ти: собирать.
75415. Способы глагольного действия. Их соотношение с видом 17.09 KB
  С категорией вида тесно связаны лексико-грамматические разряды глаголов называемые способами глагольного действия. Иначе говоря способы глагольного действия это такие семантико-словообразовательные группировки глаголов в основе которых лежат модификации изменения значений беспрефиксных глаголов с точки зрения временных количественных специально результативных характеристик значение начала действия может быть выражено различными префиксами: за по вз воз: заговорить пойти вскричать одноактность мигнуть Мы характеризуем какой...
75416. Оптичні давачі. Давачі дифузного типу 2.47 MB
  Давачі дифузного типу Давач дифузного типу створений за принципом давача з відбиттям від рефлектора. Давачі дифузного типу Давач дифузного типу з придушенням заднього фону Давачі дифузного типу з придушенням заднього фону були розроблені для того щоб досягти визначеного діапазону сканування для будьяких обєктів незалежно від їх яскравості кольору та інших властивостей а також від яскравості заднього фону. Такі давачі ігнорують всі обєкти які знаходяться до давача ближче ніж попередньо налаштований діапазон виявлення.
75417. Безконтактний магніточутливий давач 262 KB
  Давач що виявляє зміну напруженості постійного магнітного поля має напівпровідниковий комутуючий елемент і що не містить рухомих частин в чутливому елементі рис. Спрацювання давача відбувається при зміні напруженості магнітного поля викликаного наприклад переміщенням постійного магніту розташованого на рухомої частини механізму. Крім того магніточутливих давачи можуть відрізнятися по реакції на зміну магнітного поля: При збільшенні напруженості зовнішнього магнітного поля наприклад при наближенні постійного магніту...