Пьезоэлектрическими 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 знаков заряда при замене сжатия растягиванием и изменение знака деформации при изменении направления поля. Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие вещества: кварц, турмалин, ниобат лития, сегнетова соль и др., а также специальные пьезокерамики: титанат бария, титанат свинца, цирконат свинца и др.
Физическую природу рассмотрим на примере кристалла кварца. На рис. 1.3 показана форма элементарной ячейки кристаллической структуры кварца.
Ячейка в целом электрически нейтральна, однако в ней можно выделить три направления,
проходящие через центр и соединяющие два разнополярных иона. Эти направления называются электрическими осями и по ним направлены векторы поляризации P1, P2, P3.
Если к кристаллу приложить силу Fx, равномерно распределённую по грани то в результате деформации ячейки её электрическая нейтральность нарушится. Как показано на рис. 1.3 в деформированном состоянии ячейки сумма проекций векторов P2 и P3 на ось X становится меньше (при сжатии) или больше (при растяжении) вектора P1 . В результате появляется равнодействующая вектора поляризации. Ей соответствуют поляризационные заряды на гранях, знаки которых показаны на рис. 1.3.
Образование поляризационных зарядов на гранях, перпендикулярных оси X, при действии силы по оси X называется продольным пъезоэффектом.
При механических напряжениях вдоль оси Y (её называют механической осью) геометрическая сумма проекций векторов P2 и P3 на ось Y равна нулю, и на гранях пъезоэлемента, перпендикулярных оси Y, заряды не образуются. Но сумма проекций векторов P2 и P3 на ось X оказывается не равной вектору P1. В результате на нижней грани образуются положительные заряды, а на верхней – отрицательные. Этот механизм называется поперечным пъезоэффектом. Поэтому при равномерном нагружении со всех сторон кристалл кварца остается нейтральным. При нагружении по оси Z, перпендикулярной оси X и Y, называемой оптической осью, кристалл остаётся нейтральным. При механическом напряжении сдвига в отдельных вариантах возможно образование зарядов.
При продольном пьезоэффекте на гранях, перпендикулярных оси X, появляются заряды
q= d11Fx, где
d11 – пьезоэлектрический модуль, равный 2,31*10 -12 К/н. (Кулон на Ньютон),
d11 - практически постоянен до температуры 2000_С а затем с увеличением температуры немного уменьшается.
Предельная рабочая температура составляет 5000 С. При температуре 5730 С (температура Кюри) кварц теряет пьезоэлектрические свойства. Диэлектрическая проницаемость ε кварца=4,5,удельное объёмное сопротивление ~1012 Ом.
При поперечном пьезоэффекте заряд может быть увеличен соответствующим выбором длин ребёр x и y:
q=S1d12F2/S2d12S1=d12F2y/x
Область применения пьезоэлектрических преобразователей весьма обширна.
1.Преобразователи,в которых используется прямой пьезоэффект, применяются в приборах для измерения силы, давления, ускорения.
2.Преобразователи, где используется обратный пьезоэффект, применяются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний.
3.Преобразователи, в которых используются прямой и обратный пъезоэффекты - пъезорезонаторы, применяются в качестве фильтров, пропускающих очень узкую полосу частот на резонансной частоте.
Выходная мощность этих преобразователей очень мала, поэтому на выходе преобразователя может быть включён усилитель с большим входным сопротивлением.
Эквивалентная схема преобразователя, соединённого кабелем с измерительной цепью представлена на рисунке 14, на котором
Co -ёмкость между гранями пъезоэлемента;
Cn -ёмкость кабеля между жилой и экраном;
Cbx -входная ёмкость измерительной цепи;
Ro -сопротивление преобразователя;
Rn- сопротивление изоляции кабеля;
Rbx -сопротивление измерительной цепи.
Эквивалентную схему мощность упростить(рис.14 в ),где сопротивление R равно сопротивлению параллельно соединённых всех R и ёмкость C=Co+Cn+bx..
При синусоидальной силе f=Fmsinωt/dt.Выходное сопротивление преобразователя вместе с цепью составляет
Uвых=I, где
I=jωd11F; тогда Uвых=d11FωR/(1+ωRC).
Как видно из последнего выражения, амплитуда напряжения и сдвиг фаз зависят от частоты:
U вых = ( d11Fm/C)/ ( ωRC /√ (1+ω2 R2C2 )); φ=π/2+arctgωRC
Из приведенных выражений следует, что напряжение на выходе не будет зависеть от частоты только при высоких частотах ω>1/RC и будет равно Uвых=d11F/C, т.е Uвых
зависит от ёмкости. Поэтому ,если включить парвллельно преобразователю ёмкость можно расширять частотный диапазон, но уменьшить Uвых. Увеличить R технически сложнее, т.к. оно и так велико, порядка 109÷1010 Ом .
Достоинствами пьезоэлектрических преобразователей являются малые габариты, простота конструкции, надёжность в работе, широкий частотный диапазон, высокая точность преобразования механических величин в электрические. Эти достоинства и позволяют использовать пьезодатчики для датчиков давлений, ускорений, сил, а обратный эффект - для создания генераторов ультразвуковых колебаний.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему