Studopediya

КАТЕГОРИЯ:


Астрономия- (809) Биология- (7483) Биотехнологии- (1457) Военное дело- (14632) Высокие технологии- (1363) География- (913) Геология- (1438) Государство- (451) Демография- (1065) Дом- (47672) Журналистика и СМИ- (912) Изобретательство- (14524) Иностранные языки- (4268) Информатика- (17799) Искусство- (1338) История- (13644) Компьютеры- (11121) Косметика- (55) Кулинария- (373) Культура- (8427) Лингвистика- (374) Литература- (1642) Маркетинг- (23702) Математика- (16968) Машиностроение- (1700) Медицина- (12668) Менеджмент- (24684) Механика- (15423) Науковедение- (506) Образование- (11852) Охрана труда- (3308) Педагогика- (5571) Полиграфия- (1312) Политика- (7869) Право- (5454) Приборостроение- (1369) Программирование- (2801) Производство- (97182) Промышленность- (8706) Психология- (18388) Религия- (3217) Связь- (10668) Сельское хозяйство- (299) Социология- (6455) Спорт- (42831) Строительство- (4793) Торговля- (5050) Транспорт- (2929) Туризм- (1568) Физика- (3942) Философия- (17015) Финансы- (26596) Химия- (22929) Экология- (12095) Экономика- (9961) Электроника- (8441) Электротехника- (4623) Энергетика- (12629) Юриспруденция- (1492) Ядерная техника- (1748) Arhitektura- (3434) Astronomiya- (809) Biologiya- (7483) Biotehnologii- (1457) Военни бизнесмен (14632) Висока technologies- (1363) Geografiya- (913) Geologiya- (1438) на държавата (451) Demografiya- ( 1065) Къща- (47672) журналистика и смирен (912) Izobretatelstvo- (14524) външен >(4268) Informatika- (17799) Iskusstvo- (1338) историята е (13644) Компютри- (11,121) Kosmetika- (55) Kulinariya- (373) културата е (8427) Lingvistika- (374) Literatura- (1642) маркетинг-(23702) математиците на (16968) Механична инженерно (1700) медицина-(12668) Management- (24684) Mehanika- (15423) Naukovedenie- (506) образователна (11852) truda- сигурност (3308) Pedagogika- (5571) Poligrafiya- (1312) Politika- (7869) Лево- (5454) Priborostroenie- (1369) Programmirovanie- (2801) производствено (97 182 ) индустрия- (8706) Psihologiya- (18388) Religiya- (3217) Svyaz (10668) Agriculture- (299) Sotsiologiya- (6455) на (42831) спортист строително (4793) Torgovlya- (5050) транспорт ( 2929) Turizm- (1568) физик (3942) Filosofiya- (17015) Finansy- (26596) химия (22929) Ekologiya- (12095) Ekonomika- (9961) Electronics- (8441) Elektrotehnika- (4623) Мощност инженерно ( 12629) Yurisprudentsiya- (1492) ядрена technics- (1748)

пиезоелектрични преобразуватели




Принципът на работа на пиезоелектрически преобразувател. Пиезоелектрични преобразуватели се наричат ​​кристали и текстури, електрифицирани под влиянието на механични напрежения (пряк пиезоелектрически ефект) и деформира в електрическо поле (обратен пиезоелектричен ефект).

Пиезоелектричен ефект има знак-чувствителен, т.е. има промяна на такса чрез замяна на компресия и разтягане промяна щам знак знак, когато посоката на областта.

Пиезоелектрични свойства са много кристални материали (кварцови, сол на Рошел, турмалин), както и изкуствено създадено и специално electricified пиезокерамични (titonat барий, олово titonat).

В пиезоелектрически преобразувател е плоча от пиезоелектричен материал, който има два електрода изолирани един от друг.

В зависимост от материала, формата и ориентацията на датчиците кристални оси на входната променлива може да бъде силите, които произвеждат деформация на компресия - напрежение, и срязване деформация на производство на сила. Последният тип щам може да се използва в преобразуватели, имащи като вход променлив въртящ момент.

диелектрици Кристалните различно заредени йони са разположени в определен ред, за да образуват решетка. Тъй като противоположно заредени йони заместник и са подредени така, че техните такси неутрализират взаимно, като цяло кристал е електрически неутрална. Една от функциите на кристали е тяхната симетрия. Кристалите могат да са симетрични спрямо ос, самолет или център. В съответствие с вида на симетрия съгласно някои закони са разположени построени решетъчни йони. В посока на оста X заместник йони на различни признаци и взаимно се компенсират таксите си. Действието на сила F Х в решетъчни деформира X кристални, разстоянието между положителни и отрицателни йони и кристално електрифицирани промяна в тази посока. На лицата си, перпендикулярни на оста Х, се появява на таксата

Q = г 11 F х, (5.11)

пропорционална сила F Х. коефициент г 11, в зависимост от веществото и неговото състояние се нарича пиезоелектричен модула. Индекси с коефициент на г определя ориентацията на сила и лицата, които се появява заряд в сравнение с кристалните оси. Когато промените ориентацията на пиезоелектрични промени модула.

На електрифицирането на кристала под влиянието на външни сили се нарича директен пиезоелектрически ефект. Вещества с пиезоелектричен ефект, наречени пиезоелектричен. За производството на преобразувателите, естествени и изкуствени кристали на кварцови пиезоелектрични материали - пиезокерамични.



Силициев диоксид (SiO 2). Действието на електрически сили кварцов кристал табела по ос Х или Y-ос механична поляризацията на кристала се случва. На лицата перпендикулярни X-ос, се появяват обвинения

Q = г 11 F х или Q = D 12 (Q х / Q Y) F Y,

където F х и F Y - съответните сили; Q х и Q имат квадратни ръбове перпендикулярни оси х и у най-; г = 11 D 12 = -12 2,31'10 K / ч - пиезоелектрични модули.

Появата на таксата по сила F Х се нарича надлъжна пиезоелектричен ефект, поява на заряд под влиянието на F Y - напречен пиезоелектричен ефект.

кварц плоча е с висока якост. Допустими натоварвания могат да бъдат до (0.7 - 1) '10 8 N / m 2, която ви позволява да се прилага за голямата й сила се измерва. Той има висок коефициент на еластичност, което го прави висока твърдост и много малък собствен вътрешно триене прави. Последното обстоятелство води до високо Q фактор на плочите от кварц. Кварцова плоча, използвани за производството на датчици, които измерват налягането и сила.

Кварцов - материал с висока твърдост, е трудно да се обработва и може да се използва за производството на форма обикновено плоча. Пиезоелектричен модул D е практически постоянна до температура от 200 ° С, и след това повишаване на температурата леко намалява. Максимална работна температура е 500 ° С при температура от 573 ° С (температура на Кюри) кварц губи пиезоелектрични свойства. Относителната диелектрична константа е 4.5 и увеличава леко с повишаване на температурата. съпротивление на обема на силициев диоксид превишава 10 12 ома. Електрически и механични свойства на кварцов имат висока стабилност. Над 10 години на промени в характеристиките не надвишава 0,05%.

Пиезоелектрични керамика. Piezoceramics има структура на домейн, домейни са поляризирани. При липса на външно електрическо поле поляризация на отделните домени е произволна посока на повърхност, направена от пиезоелектрични керамични електрически заряд не е тялото. електрическо поле домени са ориентирани в посока на това поле, материалните и поляризирани такси се появяват на повърхността на тялото. При отстраняване областта домейни запазват своята ориентация, материалът е поляризирана, но зарядът на повърхността като изтече времето надолу. Ако тялото изработен от пиезоелектрични керамика, за да прикрепите механична натоварване след преработката му в електрическо поле, в рамките на своите домейни действие променят своята ориентация и променя поляризацията на материала. промяна поляризация причинява появата на такса върху повърхността на тялото. Корпус на поляризираната керамика, когато са изложени на механични сили електрифицирана, както и природни и пиезоелектрични единични кристали.

Типичен пиезоелектрични керамични е бариев титанат VaTiO 3. Неговата пиезо модул е в рамките на 31 г = (4,35¸8,35) '10 -11 K / H; диелектрична проницаемост - в рамките на е R = 1100 1800; диелектрични загуби допирателната, която характеризира вътрешно съпротивление - в рамките на ТР = 0,3 ¸ 3%. Зависимостта произтича от таксата се прилага сила има някои нелинейност и хистерезис. Piezoceramics свойства също зависят от тяхната технология и поляризиращ напрежение.

Повечето piezoceramics има достатъчна термична стабилност. Пиезоелектрични свойства се запазват до температурата на Кюри. тя е равна на 115 ° C. С пиезокерамични параметри се променят спонтанно с течение на времето да бариев титанат. Стареене се определя от промяната в ориентацията на домейните. Производство на пиезокерамични преобразуватели много по-прости, отколкото единични кристали. Керамични изделия, изработени чрез пресоване или формоване: керамика се прилагат към електродите, електродите са заварени към жиците на преднината. Разликата е в електрически обработката. За да поляризират продуктът се поставя в сила електрическо поле на 10 от 5-10 6 V / m.

Фиг. 5.35. сензор Pezoelekrichesky налягане

Дизайнът на пиезоелектрични датчици. Пиезоелектрични сензори се използват за измерване на налягане, сила, ускорение. Фиг. 5.35 показва устройство с пиезоелектричен налягане сензор два кварцови плочи. Измереното налягане действа върху диафрагмата 1, което е на дъното на корпуса на сензора. Кварцова плоча 2, поставен между метални подложки 3. Средната лента 3 е свързан към терминала 4, преминаваща през екранирания втулка 5, направен от изолационен материал. Капакът 6 е ​​свързан с корпуса 7 и топката преминава през плочите под налягане, при което се измерва налягането разпределени по повърхността на кварцова плоча по-равномерно.

Кварцови плочи обикновено разположени така, че измервателната схема се подава към отрицателен потенциал. Положителният потенциал се прилага към тялото на сензора. За да се намали изтичането на такси трябва много високо качество на изолацията. За същата цел повърхността на кварцови плочи внимателно полирани. Използването на две или повече плочи увеличи продукцията EMF като са оформени изходите на плочите.

Фиг. 5.36 показва пиезоелектричен датчик ускорение се използва апарат за измерване на вибрации. Пиезо 1 бариев титанат се намира в корпуса 2 между инертната маса на третия опорния лагер 4. За да се увеличи силата, действаща от пиезоелектричен елемент по време на ускорение, инертната маса има сравнително големи размери и е направена от волфрам. Пакет от инерционна маса 3, на пиезоелектричен елемент 1 и натиска 4prizhat към базовата жилища гайката 5 чрез сферичната петата 6, изолационната уплътнението, пружинната шайба и една чиния контакт. Изходният сигнал е със специална анти-вибрации кабел.

Фиг. 5.36. Пиезоелектричен сензор ускорение

Сензорът измерва ускорение от 0,2 до 200 гр. Коефициентът на преобразуване на около 8 СрН на 1 гр. Минималната честота на 5 Hz вибрации ускорение.

Устройства и измервателни вериги. Пиезо резонатор е изолатор с два електрода под формата на натрупания заряд (кондензатор) с голям импеданс. Ето защо, пиезоелектричен измервателната верига направен под формата на напрежение усилватели с високо изходно съпротивление (фиг. 5.37). В този обръщане усилвател верига се използва въз основа на оперативния усилвател вход етап FET. Най-високо входно съпротивление до 10 13 - 15 Октомври Ohm осигури MOS - транзистори, но те имат по-високо ниво на шума от FETs р - n-преход тип KP303G, входно съпротивление на не по-малко от 10 ноември ома. Следователно, силно чувствителни сензори използват транзистори с р-N- преход.

Фиг. 5.37. Измерване верига пиезоелектричен датчик.

Основният недостатък на веригата с напрежение печалба - изходно напрежение в зависимост от кабел капацитет (70-150 -12 F на всеки метър дължина на кабела), които могат да се променят в зависимост от положението на кабела и външни фактори, като температура и влажност, капацитетът на пиезоелектричен датчик, който не надвишава 5-50 PF.

Капацитетът на пиезокерамични плочите може да достигне до 1000 PF. Въпреки това, стойността на капацитет е по-малко стабилен от кварцови плочи, и може да варира с температурата.

За да се намали чувствителността на нестабилност през входа на операционен усилвател е включен по-стабилен капацитет с 1, стойността на който се определя от чувствителността на допустимата грешка. Така, изходното напрежение на усилвателя и датчик чувствителността оперативната се определят от допустимата грешка в даден капацитет на нестабилност.

Важна характеристика на измервателната верига е постоянно време:

,

За верига напрежението на измерване с увеличаване на съпротивлението R се определя от паралелното свързване на сензор изолационно съпротивление, кабел, входно съпротивление на усилвателя и устойчивост R 3.

В пиезоелектрически преобразувател е генератор инвертор, който може да произвежда електромагнитни полета. За да го превърнете в вторичното устройство има датчик, който трябва да има високо входно съпротивление. Еквивалентната схема на пиезоелектричен датчик свързан с измервателен уред е показано на фиг. 5.38.

Фиг. 5.38. Еквивалентна схема на пиезоелектрически преобразувател: C 0 - капацитет между лицата на пиезоелектрични; C до - кабелна капацитет между проводника и на екрана; С Rin - входен капацитет измерване верига; R 0 - импеданс конвертор; За R - съпротивление на изолацията на кабела; R Rin - входно съпротивление на измервателната верига

За дадена еквивалент еквивалентна схема на пиезоелектричен датчик диск с капацитет С се определя не само от капацитета между лицата на пиезоелектричния 0 ° С, но също така и способността на пиезоелектричен датчик тялото. С капацитет 1 се определя като общия капацитет на кабела за свързване към С, вход капацитет на усилвателя с I и други съдове, шунт входа усилвател. Устойчивост на течове пиезоелектричен елемент и съпротивата изтичане на кабела може да се разглежда като компоненти на съпротива R Рин. Входното напрежение на усилвателя е капка напрежение през резистора R Рин.

Нека оценка на параметрите на елементите на еквивалент верига. По този начин, присъща устойчивост на пиезоелектричния елемент R 0 се определя от съпротивлението на материала плочи и повърхността им устойчивост. Първият компонент на кварц (15 октомври -10 16 ома) е значително по-голям от втория, така че определящият фактор е съпротивлението на повърхността, която трябва да се увеличи до R = 10 септември ¸ 10 октомври ома трансформатор трябва да бъде запечатан, защита на повърхността от влага и замърсяване.

Изходната стойност на преобразувателя е напрежението в електродите:

E = Q / C, (5.12 )

където р -pezoelektrichesky такса; С -capacity образува електроди.

Заместването (5.11) в (5.12), ние получаваме функция на преобразуване на пиезоелектричен датчик:

E = DF / C. (5.13)

Ако предавателят има формата на плоска плоча, капацитет между електродите, е

C = 0 д р д Q / г, (5.14)

където р о - диелектрична константа на пиезоелектричен материал; Q - площ на електродите; d-разстояние между електродите.

Замествайки (5.14) в (5.13), ние получаваме предавателната функция конвертор:

E = г DF / д р е 0 Q.

EMF, която се проявява в конвертор електроди достига единици волта. Въпреки това, ако силата е константа, измерената EMF е трудно, тъй като зарядът е малък и бързо преминава през входно съпротивление на волтметър. Ако захранването е променлива, тогава променлива EMF, което е много по-лесно да се измери. Ако периодът на промяна на сила е много по-малък от константа, определен от капацитета на конвертора и устойчивост на зареждане на изтичане, изтичане на процеса не засяга конвертор изходното напрежение. Ако правото на синусоидална сила променя

F = F м sinw тон.

EMF също варира синусоидален:

E = E м sinw тон.

Промяна на променлива мощност е намалена до промяна в променлива напрежение или EMF. Ако инвертора работи синусоидална сила е използването на символичен начин, изразът (5.13) може да бъде пренаписана, както

E = DF / C,

където

= F м д к т; = E м д й w

От диаграмата на фиг. 5.38 трябва да бъде

(5.15)

Експресия (5,15) е сложна функция на преобразуване на еквивалентната схема на пиезоелектричен датчик свързан към усилвател. От това е възможно да се определи комплекс коефициента на предаване

където Т = R (C 1 + C) - времеконстанта.

модул чувствителност, или верига чувствителност

S (w) = , (5.16)

Това експресия показва връзката между чувствителност и честота характеристика на частен преобразувател, свързан към усилвател. Честотната може да бъде представена от два фактора

S (= W) S (¥ V) (W).

Първият от тях представлява чувствителността при много високи честоти и не зависи от честотата, тъй w® ¥

S (W) ® ,

Вторият фактор V (W) = дефинира нормализирана характеристика. Тя показва относителната промяна на чувствителността с честота.

(5.16) показва, че S = 0, когато w = 0; пиезоелектрични преобразуватели, не са приложими за измерване на статично натоварване. Тези изрази са валидни за средни и ниски честоти, т.е. в случаите, когато вътрешното съпротивление на пиезоелектричния елемент могат да бъдат заменени от еквивалентни капацитет.

Piezo има някаква еластичност и тегло и е вибрационната система. Резонансната свойства на тази система се появяват при високи честоти. Резонансът увеличава чувствителността при високи честоти. В още по-голямо увеличаване на чувствителността на честота намалява.

Точност на пиезоелектрически преобразувател. Работна честота регион е регион, в който чувствителност остава постоянна. Над тази област е ограничена резонанс пиезоелектричен елемент. Под него се определя от времето постоянен тон. Необходимо да се повиши Т = R (C + 1), за да се увеличи в по-ниска честота на региона на честотните характеристики. За подобряване на изходното напрежение на пиезоелектрични датчиците усилватели използвани с възможно най-висока устойчивост вход (не по-малко от 10 ноември ома). Допълнително увеличение на константата време може да се случи с увеличение от 1, този усилвател вход преместен допълнителен кондензатор. Въпреки това, включването на този кондензатор намалява чувствителността при високи честоти, и изисква увеличаване на коефициента на усилване на усилвателя. В схемата на фиг. 5.37 Времеконстантата T = R (C + 1) обикновено е по-малко от 1 сек. Използването на операционни усилватели с обратна връзка ви позволява да създадете устройства, в които константата време достига стойности от 10 - 100 секунди.

Горната честота работен диапазон се определя чрез увеличаване на чувствителност поради механични резонанс. Това е доста висока. Има предаватели с работен диапазон горната честота на 80 кХц.

Измервателната верига външни електромагнитни полета могат да бъдат бране бездомно EMF. Тази променлива създава EMF грешка. За защита срещу измерване поле верига се пресява и сензор е свързан към преобразувател чрез екраниран кабел. Въпреки това, нестабилността на кабел капацитет, причинени от огъване, въвежда грешка.

Когато огъване на кабела може да разслоявания. На снопа от електрически заряди, генерирани от триене. Преместването заредени повърхности под влиянието на вибрациите на кабела води до променлива EMF. Грешката се дължи на вибрации на кабела може да бъде значително намалена чрез използване на специални антивибрационни кабели. Нестабилността на измервателната верига може да бъде причинено от висока влажност или резки промени в температурата. По този начин е налице изолация хидратация, което води до намаляване на съпротивлението R в еквивалентната схема на фиг. 5.38. Промяна R предизвиква промяна в чувствителността и допълнителна грешка честота.

Промените в температурата също причинява пиезоелектрични промените елемент в неговата чувствителност и пиезоелектричен модула. Най-стабилната пиезоелектричен материал е кварц.

Грешката на конвертора може да бъде причинено от несъвършенството на пиезоелектрични материали: характеристики хистерезис и неговата нелинейност. Ако сили, действащи преобразувател, перпендикулярна на оста на чувствителността на пиезоелектричния елемент, възможно поради грешка напречна пиезоелектрически ефект.

Фиг. 5.39. Дизайнът на пиезо резонатор

Обхват:

1) конвертори, които използват пряко пиезоелектричен ефект, се използват в устройства за измерване на налягане, сила или ускорение (Фигура 5.39, а) .;

2) преобразуватели, които използват обратния пиезоелектрически ефект, се използват като източници на емисии на ултразвукови вибрации, т.е. это преобразователи напряжения в деформацию (рис. 5.39, б);

3) преобразователи, в которых используются оба пьезоэффекта (пьезорезонаторы), имеющие максимальных коэффициент преобразования одного вида энергии в другой на резонансной частоте и резко уменьшающийся коэффициент преобразования при отступлении от резонансной частоты (рис. 5.39, в). Достоинством данного устройства является большая стабильность частоты опорного генератора. Точность 10 -5 10 -6 . Данные преобразователи применяются в качестве фильтров, пропускающих очень упругую полосу частот. Пьезорезонаторы, включённые в цепь положением обратной связи усилителя, работают в режиме автоколебания и образуют генераторы.





; Дата: 12.16.2014; ; Прегледи: 1439; Нарушаването на авторските права? ;


Ние ценим Вашето мнение! Беше ли полезна публикуван материал? Да | не



ТЪРСЕНЕ:


Вижте също:



zdes-stroika.ru - Studopediya (2013 - 2017) на година. Тя не е автор на материали, и дава на студентите с безплатно образование и използва! Най-новото допълнение , Al IP: 66.102.9.24
Page генерирана за: 0.071 сек.