Нужна помощь в написании работы?

       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.

Внимание!
Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас. Бесплатные корректировки и доработки. Узнайте стоимость своей работы.

       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.

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Узнать стоимость
Поделись с друзьями