Прилади неруйнуючого контролю і технічної діагностики

На тему «П’єзоелектричні перетворювачі»

 

 

Виконав:

Ст. гр. Гладкий Б. Я.

Перевірив:

Асистент Криницький О.С.

 

Івано-Франківськ 2016

Зміст:

Вступ

1.Явище п'єзоелектричного ефекту.

2.П'єзоелектричні матеріали

2.1. П'єзоелектричні монокристали.

2.2. П'єзоелектрична кераміка (п’єзокераміка).

3.П’зоперетворювачі.

3.1. Синтез просторової енергосилової структури п’єзоелемента.

3.2. Зворотні зв’язки а п’єзоперетворювачах.

3.3. Поліморфні п’єзоелектричні перетворювачі.

3.4. Датчики тонів Короткова.

3.5. Перетворювач статистичних і динамічних тисків.

3.6. Акселерометри.

3.7. Електроакустичні перетворювачі.

 

Вступ

Робота присвячена актуальним питанням вдосконалення відомих та створення нових п'єзоелектричних перетворювачів (ПП).

Розвиток автоматичних систем керування та обчислювальної техніки підвищив вимоги, що ставляться до п'єзоелектричних перетворювачів. Знадобилися нові перетворювачі, і зросли вимоги до вже відомих.

Від характеристик перетворювачів значною мірою залежать точність і надійність роботи систем керування і регулювання, приладів контролю технологічних процесів, навколишнього середовища, безпека роботи ядерних, теплових, хімічних установок, тому роботи зі створення нових і вдосконалення відомих перетворювачів є дуже актуальними.

Протягом останніх десятиліть досягнутий певний прогрес у даній області і, як наслідок, була створена значна кількість різних типів п'єзоелектричних перетворювачів.

Параметрами перетворювача, що у багатьох випадках мають найбільш суттєве значення, є його чутливість, робочий діапазон контролю і похибка контролю фізичної величини.

Тому роботи з розширення діапазону контролю і підвищення точності перетворювачів є дуже актуальними.

 

Явище п'єзоелектричного ефекту

П'єзоелектричний ефект був відкритий у 1880 році Джексом і П’єром Кюрі. Вони помітили, що в деяких кристалах при механічному впливі на них з'являється електрична поляризація, причому ступінь її пропорційний величині впливу. Пізніше Кюрі відкрив інверсійний п'єзоелектричний ефект — деформування матеріалів, поміщених в електричне поле. Ці явища ще називають прямим і зворотнім п’єзоелектричним ефектом.

П'єзоелектричний ефект властивий деяким природним кристалам, таким як кварц і турмалін, які протягом багатьох років використовувалися як електромеханічні перетворювачі. Кристалічні ґрати кристалів, які володіють п'єзоелектричним ефектом, не мають центру симетрії. Вплив (стискаючий чи розтягуючий), прикладений до такого кристала, призводить до поляризації після поділу позитивних і негативних зарядів, які є в кожній окремій елементарній частці. Ефект практично лінійний, тобто ступінь поляризації прямо пропорційна величині прикладеного зусилля, але напрямок поляризації залежний, тому що зусилля стискання чи розтягування генерують електричні полюси, а отже, і напругу, протилежну полярності. Відповідно, при розміщенні кристалу в електричне поле пружна деформація викликає збільшення чи зменшення його довжини відповідно до величини і напрямки полярності полів.

П'єзоелектричні властивості кристалів пов'язані з їх структурою. Ними володіють всі піроелектрики (спонтанно поляризовані діелектрики). При механічній деформації піроелектрика міняється величина його спонтанної поляризації, що і спостерігається як прямий п'єзоелектричний ефект. П'єзоелектричні ефекти спостерігаються також в деяких непіроелектриках (наприклад, в кварцу). Справедливе загальне твердження: кристали, симетрії, що володіють центром, не можуть бути п’єзоелектриками. Це пояснюється тим, що при деформації кристала центр симетрії зберігається, а за наявності центру симетрії не може бути поляризації (Рис. 1, 2).

Рис. 1.

а — плоска модель кристала, що не має центру симетрії; центри тяжіння позитивних і негативних зарядів збігаються, стрілки змальовують окремі електричні дипольні моменти однієї групи зарядів; б — той же крісстал, підданий стискуванню, при якому змінюються довжини зв'язків між зарядами кожної групи, але не кути між ними; горизонтальна стрілка зліва — сумарний електричний дипольний момент однієї групи зарядів.

Рис. 2.

а — плоска модель кристала, що володіє центром симетрії; б — той же кристал, підданий стискуванню.

Наявність інших елементів симетрії (осі, плоскість симетрії) може «забороняти» появу поляризації в певних напрямах або при деяких певних деформаціях.

Кількісними характеристиками П. в даному кристалі є сукупність п’єзоконстант і п’єзомодулей — коефіцієнт пропорційності між електричними величинами (напруженість електричного поля Е, поляризація P) і механічними величинами (механічна напруга s, відносні деформації u). Наприклад, P = d s. Коефіцієнт d і є одна з п’єзоконстант. Т. до. довільна механічна напруга може бути представлене як сукупність 6 незалежної напруги, а вектор поляризації P має 3 незалежних компоненти, то в загальному випадку може бути 18 різних пьезоконстант d. Проте симетрія кристала обмежує число незалежних і відмінних від нуля п’єзоконстант. Величина d залежить від умов досвіду, а саме: вона має одне значення d, якщо заряд на обкладаннях конденсатора (Рис.3.) підтримувати рівним нулю, і інше значення d'', якщо обкладання конденсатора закорочені, тобто Е = 0. Тому співвідношення P = d s доцільно записувати, наприклад, у вигляді: P = d'' s + c Е. Величини d і d'' зв'язані співвідношенням d’ = d e, де e — діелектрична проникність кристала.

Рис. 3.

а - прямий п'єзоелектричний ефект; стискування або розтягування п'єзоелектричної пластини приводить до виникнення різниці потенціалів; б) зворотний п'єзоелектричний ефект; у залежності від знаку різниці потенціалів, прикладеної до п'єзоелектричної пластинки, вона стискується або розтягується.

П’єзоконстантами називаються також коефіцієнти r, g, h в співвідношеннях

P = ru + c’ Е, u = S'' s + hp, u = S'' s + he (1.1)

і т.п. Все пйєзоконстанти d, r, g, h зв'язані один з одним, так що при описі п'єзоелектричних властивостей кристала можна обмежитися лише одній, наприклад d. Характерна величина п’єзоконстанти d в системі СГСЕ складає для кварцу 3×10 ^—8 . Істотно великих величин можуть досягати п’єзоконстанти сегнетоелектриків, що пов'язано з їх високою діелектричною проникністю і доменною структурою, яка може перебудовуватися при деформації.

П’єзоелектрики широко застосовують в техніці, акустиці, радіофізиці і т.д. Їх вживання засноване на перетворенні електричних сигналів в механічних і навпаки. Пьезоелектріки використовуються в резонаторах, що входять до складу генераторів, фільтрів, різного роду перетворювачів і датчиків. [1]

П'єзоелектричні матеріали

П'єзоелектричні матеріали умовно можна розбити на дві групи: