Меню

Частота напряжения с пьезоэлемента

Диапазон частот пьезоэлектрических резонаторов

Диапазон частот пьеэорезонаторов весьма широк. Начинаясь в области звуковых частот от нескольких сотен герц, он простирается без перерыва до частот СВЧ-диапазона и достиг уже 500. 1000 МГц. Таким образом, перекрытие диапазона частот пьезорезонаторов характеризуется числом 10 6 . Столь большое перекрытие достигнуто благодаря использованию всего разнообразия видов механических колебаний, различию скоростей их упругих волн и соответственно различию их частотных или волновых размеров, в направлении которых происходит распространение упругих волн. Скорости продольных и поперечных упругих волн равны приблизительно 5500 и 3500 м/с соответственно, а частотные размеры реальных резонаторов находятся в пределах от 50 мм до 50 мкм. Отношение частотных размеров составляет, таким образом, 10 3 , определяя примерно такой же порядок перекрытия диапазона частот.

Расширение диапазона частот в область низких частот достигается в результате использования изгибных колебаний, скорость которых существенно ниже скорости продольных и сдвиговых волн и зависит от частоты. Расширение диапазона частот в область высоких частот достигается возбуждением в тонких пластинах гармонических обертонов толщинных колебаний. Технологические достижения последних лет позволяют изготовлять очень тонкие кристаллические пластины, так называемые мембранные элементы толщиной несколько микрометров, способные возбуждать колебания с частотой до 1000 МГц.

На рисунке приведена диаграмма, иллюстрирующая перекрытие диапазона частот пьезорезонаторов разных видов колебаний.

Диаграмма, иллюстрирующая перекрытие диапазона частот пьезорезонаторами разных видов колебаний

Границы отдельных поддиапазонов несколько условны и по мере развития исследований и техники производства их положение меняется. Наблюдается тенденция к расширению границ поддиапазонов преимущественно в область более высоких частот, что обусловлено стремлением к миниатюризации, а также к повышению частот связной радиоаппаратуры.

Для пьезокерамичеокнх резонаторов диапазон частот в верхней части ограничен частотами 10. 20 МГц, что определяется неоднородной поликристаллической структурой керамического пьезоэлектрика. Резонаторы из новых пьезокристаллов перекрывают несколько иные поддиапазоны частот, иногда более узкие, что объясняется, с одной стороны, иными упругими свойствами и кристаллографической симметрией, а с другой — меньшей их изученностью.

Диапазон частот резонаторов с ПЭ из кристаллов танталата лития приблизительно такой же, как и у кварцевых резонаторов, и есть основание считать, что по мере удешевления и улучшения качества кристаллов резонаторы на частоте выше 100 МГц по некоторым параметрам могут превосходить кварцевые.

Специалисты часто подразделяют диапазон частот резонаторов на поддиапазоны; низкочастотный (1 . 1000 кГц), среднечастотный (1. 5 МГц), высокочастотлый (5. 30 МГц), ОВЧ-диапазоя (30. 200 МГц) и СВЧ-диапавон (выше 200 МГц). Границы поддиапазонов условны, и некоторые авторы определяют их иначе. Иногда выделяют самый низкочастотный поддиапазон от 1 до 25. 35 кГц, называя его звуковым, хотя он охватывает и надзвуковые частоты. В тексте, говоря о резонаторах того или иного поддиапазона частот, приняты сокращения, например НЧ-резонаторы, ЗЧ-резонаторы, ОВЧ-резонаторы и т. п.

Источник



Принцип работы пьезоэлемента

Что такое пьезоэлектрический эффект?

Пьезоэлектричество было открыто в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри. Они заметили, что при давлении на кварц или отдельные кристаллы образуется электрический заряд. Позже это явление получило название пьезоэлектрического эффекта.

Вскоре братья Кюри открыли обратный пьезоэлектрический эффект. Это было после приложения к материалу или кристаллу электрического поля, которое привело к механической деформации объекта.

Термин пьезоэлектричество происходит от греческого слова «пьезо», что обозначает сжатие. Стоит отметить, что от греческого слова «янтарь» происходит слово «электричество». Янтарь тоже может быть источником электрической энергии.

Многие современные электронные устройства используют пьезоэлектрический эффект для своей работы. Например, при использовании некоторых устройств распознавания звука микрофоны, которые они используют, работают на основе упомянутого выше эффекта. Пьезоэлектрический кристалл превращает энергию вашего голоса в электрический сигнал, с которым могут работать смартфоны, компьютеры и другие электронные устройства.

Создание некоторых продвинутых технологий тоже стало возможно благодаря пьезоэлектрическому эффекту. Например, мощные гидролокаторы используют маленькие чувствительные микрофоны и керамический звуковой датчик, созданные на основе пьезоэлектрического эффекта.

Прямой пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический материал (керамический или кристаллический) помещают между двумя металлическими пластинами. Для генерации электрического заряда необходимо приложить механическое усилие (сжать или разжать). При приложении механического усилия на металлических пластинах начинает скапливаться электрический заряд:

Таким образом, пьезоэлектрический эффект действует как миниатюрный аккумулятор. Микрофоны, датчики давления, гидролокаторы и другие чувствительные устройства используют этот эффект для своей работы.

Обратный пьезоэлектрический эффект

Он заключается в том, что при приложении электрического напряжения к пьезоэлектрическому кристаллу произойдет механическая деформация тела, под которой оно будет расширяться или сжиматься:

Обратный пьезоэлектрический эффект значительно помогает при разработке акустических устройств.

Примером могут послужить звуковые колонки, сирены, звонки.

Преимущества таких динамиков в том, что они очень тонкие, а это делает их практически незаменимыми при использовании в мелких устройствах, например, в мобильных телефонах.

Также этот эффект часто используют медицинские ультразвуковые и гидроакустические датчики.

Пьезоэлектрические материалы

Данные материалы должны производить электрическую энергию из-за механических воздействий, таких как сжатие. Также эти материалы должны деформироваться при приложении к ним напряжения.

Данные материалы условно разделяют на две группы – кристаллы и керамические изделия. ЦТС (цирконат-титанат свинца), титанат бария, ниобат лития – примеры искусственных пьезоэлектрических материалов, обладающих более ярко выраженным эффектом, чем кварц и другие природные материалы.

Пьезоэлектрические устройства

Гидролокатор

Гидролокатор был изобретен в 1900-х годах Льюисом Никсоном. Первоначально он использовался для обнаружения айсбергов.

Читайте также:  Типы головной боли напряжения

Однако интерес к нему очень сильно возрос в период Первой мировой войны, где он использовался для обнаружения подводных лодок.

В наше время гидролокатор является распространенным прибором с большим количеством различного рода применений.

На рисунке ниже показан принцип работы гидролокатора:

Принцип работы довольно прост – передатчик, который использует обратный пьезоэлектрический эффект, посылает звуковые волны в определенном направлении. При попадании волны на объект она отражается и возвращается обратно, где ее обнаруживает приемник.

Приемник, в отличии от передатчика, использует прямой пьезоэлектрический эффект. Он преобразует возвращаемую отраженную звуковую волну в электрический сигнал и передает его в электронную систему, которая и будет производит дальнейшую обработку сигнала. Расстояние от источника сигнала до определяемого объекта вычисляется на основании временных характеристик сигналов передатчик – приемник.

Пьезоэлектрические исполнительные устройства

Ниже показана работа силового привода на основе пьезоэлектрического эффекта:

Работа привода довольно проста – под воздействием приложенного к материалу напряжения происходит его расширение или сужение, которое и приводит привод в движение.

Например, некоторые вязальные машины используют этот эффект для своей работы благодаря его простоте и минимальному количеству вращающихся частей. Такие приводы применяются даже в некоторых видеокамерах и мобильных телефонах в качестве приводов фокусировки.

Пьезоэлектрические громкоговорители и зуммеры

Такие устройства используют обратный пьезоэлектрический эффект для создания и воспроизведения звука. При подаче напряжения к динамикам и зуммерам он начинает вибрировать и таким образом генерирует звуковые волны.

Пьезоэлектрические динамики обычно используют в будильниках или других несложных акустических системах для создания простой аудиосистемы. Эти ограничение вызваны частотой среза данных систем.

Пьезо драйверы

Пьезо драйверы могут преобразовывать низкое напряжение батареи в высокое для питания силовых пьезоэлектрических устройств. Пьезо драйверы помогают инженерам создавать большие значения синусоидального напряжения.

Ниже представлена блок схема, показывающая принцип работы пьезо драйвера:

Пьезо драйвер будет получать низкое напряжение от батареи и повышать его с помощью усилителя.

Осциллятор будет подавать на вход драйвера синусоидальное напряжение малой амплитуды, которое в последующем будет повышено пьезо драйвером и отправлено на пьезо устройство.

Описание устройства и цепей измерения

Пьезоэлектрический преобразователь давления имеет следующую структуру:

  • мембрана, которая является дном корпуса;
  • обкладка снаружи заземлена, а средняя изолируется кварцем;
  • пластины имеют высокое сопротивление, соединены параллельно;
  • фольгу и внутреннюю жилу кабеля скрепляют в отверстии, закрывающемся крышкой.

Мощность на выходе – минимальна, в связи с этим предусматривают усилитель с большим сопротивлением. По сути, напряжение зависит от емкости цепи входа. Характеристики преобразователя указывают на чувствительность и емкость. В основном это заряд и собственные показатели устройства. Если рассчитать суммарно, то получится следующая выходная мощность: Sq = q/F или Uxx = d11·F/Co.

Чтобы расширить диапазон частоты, необходимо измеряемые низкие переменные увеличить в сторону постоянной цепи времени. Подобное действие легко осуществить с помощью включения конденсаторов, которые расположены параллельно с устройством. Правда при этом напряжение выхода снизится. Сопротивление, которое было увеличено, расширит диапазон без утрат чувствительности. Но для его повышения необходимы улучшенные изоляционные качества и усилители с высокоомным входом.

Описание цепей измерения

Удельное и поверхностное сопротивления определяют собственное, причем основная составляющая для кварца выше, поэтому пьезоэлектрический преобразователь необходимо герметизировать. В результате повышаются качества, и поверхность защищается от влаги и грязи. Цепи измерения датчиков создавались как высокоомные усилители, в основе которых использовались выходной каскад на полевом транзисторе и неинвертирующий усилитель с операционным устройством. Напряжение поступает на вход и выход.

Однако в этом устаревшем пьезоэлектрическом преобразователе были недостатки:

  • зависимость напряжения выхода и чувствительность по отношению к объему датчика;
  • нестабильная емкость, которая меняется из-за температурных условий.

Напряжение усилителя и чувствительность определяются допустимой погрешностью, если дополнить включенный стабильный объем С1.

Формула: ys = (ΔCo + ΔCk)/(Co+Ck +C1).

После преобразования получаем: S=Ubx/F.

Если коэффициент увеличивается, соответственно, и эти переменные возрастают.

Для измерительной цепи характерно:

  • постоянная линия времени;
  • сопротивление R определено входным усилением, изоляцией датчиков, кабелей, и R3;
  • МДП-транзисторы сильнее по сравнению с полевыми устройствами, однако имеют высокий уровень шума;
  • R3 стабилизирует напряжение, его значение высчитывается как

Анализируя последнюю переменную, можно предположить, что постоянная линия времени следующая: t ≤ 1c. Сегодня устройства могут использовать с усилителями напряжения пьезоэлектрические датчики для заряда.

Преимущественные характеристики устройств

  • простота конструкционной сборки;
  • габариты;
  • надежность;
  • преобразование напряжения механики в электрический заряд;
  • переменные величины, которые можно быстро измерить.

В случае с материалом вроде кварца, который близок к идеальному состоянию тела, преобразование механики в заряд электрики возможно с минимальной погрешностью от -4 до -6.

Однако развитие высокоточной техники улучшило способность реализовать точность без потерь.

В результате можно прийти к выводу, что для измерителей сил, давления и прочих элементов наиболее подходящими являются пьезоэлектрические преобразователи.

ПЭП ускорения имеет следующую конструкцию:

  • все материалы крепятся к титановому основанию;
  • два одновременно включенных пьезоэлемента из кварца;
  • высокоплотная инерционная масса предназначена для минимальных габаритов;
  • снятие сигнала посредством латунной фольги;
  • она, в свою очередь, соединена с кабелем, который припаивается;
  • датчик закрыт крышкой, навинченной в основании;
  • чтобы укрепить измеритель на объекте, нарезают резьбу.

Конструкционные особенности преобразователей

Если необходимо изготовить датчик акселерометра, то важно правильно прикрепить пьезочувствительные пластины к основанию. Это действие осуществляется паянием.

Кабель должен соответствовать следующим требованиям:

  • изоляционное сопротивление должно быть высоким;
  • экран размещен рядом с жилой;
  • антивибрационность;
  • гибкость.

То есть на вход усилителя не должна производиться тряска кабеля. Измерительная цепь создается симметрично, чтобы не возникало помех. В датчике связь несимметричная, сопротивление выводов и корпуса соединено таким образом, что получается изоляция внешних пластин. Чтобы добиться нужного результата, требуется измеритель выполнить из нечетного количества материалов, которые используются в процессе. Элементы прижимаются к усилителю сквозь отверстия в центральной части и через изоляторы, которые привинчены к корпусу.

Особенности приборов, измеряющих вибрации

Чтобы увеличить чувствительность измерительного прибора, необходимо применить пьезоэлементы с высоким модулем. Этот материал укладывают параллельно в ряд и соединяют металлическими прокладками и пластинами. Для подобного эффекта еще могут применяться вещества, которые работают на изгиб. Однако они имеют низкую частоту и уступают механике сжатия.

Материал может быть биморфным, его обычно собирают последовательно или параллельно, все зависит от положительно расположенных осей. Как правило, это две пластины. Если учитывать нейтральный слой, то над ним вместо пьезоэлемента может использоваться накладка из металла со средней толщиной.

Чтобы измерить сигналы, которые двигаются достаточно медленно, необходимо сделать следующее:

  • пьезопреобразователь включают в автогенератор;
  • кристалл находится на резонансной частоте;
  • как только произойдет нагрузка, показатели изменятся.

Сегодня пьезоакселерометры – усовершенствованные приборы, которые могут быть высокочастотными, с сильной чувствительностью.

Альтернативный источник энергии посредством преобразователей

Одним из знаменитых и неисчерпаемых средств получения электричества является энергия волн. Такие станции монтируют непосредственно в водную среду. Это явление связано с солнечными лучами, которые нагревают массу воздуха, благодаря чему возникают волны. Вал данного явления имеет энергоемкость, которая определяется по силе ветра, ширине воздушных фронтов, продолжительности порывов.

Значение может колебаться на мелководье или достигать 100 кВт на один метр. Пьезоэлектрический преобразователь энергии волн работает по определенному принципу. Уровень воды поднимается посредством волны, в процессе воздух выдавливается из сосуда. Затем потоки пропускаются реверсирующейся турбиной. Агрегат вращается по определенному направлению, вне зависимости от движения волн.

Этот аппарат имеет положительную характеристику.

До сегодняшнего дня совершенствование конструкции не прогнозируется, потому что эффективность и принцип работы доказаны всеми существующими путями.

В процессе технического прогресса, возможно, будут построены плавучие станции.

Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь

Этот прибор устроен таким образом, что не требует дополнительных настроек. Он снабжен блоком памяти, который выдает технический результат. Относится к контрольно-измерительным аппаратам. Подобные устройства отличаются по типу, техническим характеристикам, которые составляются на основе данных о конструкции и предназначении с минимальными погрешностями. Все требования учитываются на основе конструкции.

Для всех подобных аппаратов предусмотрена стандартная схема создания: дефектоскоп, корпус, электроды, главный элемент, который скрепляют с основанием, жила, фольга и другие материалы. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь является полезной моделью. Он позволяет получать данные непосредственно с помощью звука, установленного на основании устройства.

Источник

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

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

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)´10 8 Н/м 2 , 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 10 12 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 10 5 – 10 6 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 10 13 –10 15 Ом обеспечивают МОП – транзисторы, но они имеют высокий уровень шумов, чем полевые транзисторы с p – n– переходом типа КП303Г, входное сопротивление которого составляет не менее 10 11 Ом. Поэтому с высокочувствительными датчиками применяют транзисторы с p–n– переходом.

Источник