Пьезорезонансные преобразователи. Измерительные преобразователи основанные на использовании поверхностных акустических волн.

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 растяжением и изменение знака деформации при изменении направления поля. Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кристаллические вещества: кварц, турмалин, ниобат лития, сегнетова соль и др., а также искусственно создаваемые и специально поляризуемые в электриче­ском поле пьезокерамики: титанат бария, титанат свинца, цирконат свин­ца и т.д.

Физическую природу пьезоэффекта рассмотрим на примере наиболее известного пьезоэлектрического кри­сталла–кварца. На рис. 2-14, а 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 полярные направления называются электрическими осями или осями X, и по ним направ­лены векторы поляризации P ₁ ,P ₂ и P ₃. Если к кристаллу кварца вдоль оси приложена сила F_X, равномерно распределенная по грани, перпендикулярной оси X, то в результате деформации элементарной ячейки ее электрическая нейтральность нарушается. При этом, как показано на рис. 2-14, б, в деформированном состоянии ячейки сумма проекций векторов Р ₂ и Р ₃ на ось Х становится меньше (при сжатии) или больше (при растяжении) вектора P ₁. В результате появляется равнодействующая вектора поляризации, ей соответствуют поляриза­ционные заряды на гранях, знаки которых для сжатия показаны на рис. 2-14, б. Нетрудно видеть, что деформация ячейки не влияет на электрическое состояние вдоль оси Y. Здесь сумма проекций векто­ров равна нулю, ибо Р _{2 y}= P _{3 y}.

Образование поляризационных зарядов на гранях, перпендику­лярных оси X, при действии силы по оси Х называется продоль­ным пьезоэффектом.

При механических напряжениях, приложенных вдоль одной из осей Y (их называют механическими осями), геометрическая сумма проекций векторов Р ₂ и Р ₃ на ось Y равна нулю, и на гранях пьезоэлемента, перпендикулярных оси Y, заряды не образуются. Однако сумма проекций векторов Р ₂и Р ₃на ось Х оказывается не равной вектору P ₁. Так, при сжатии пьезоэлемента, как изображено на рис. 2-14, в, указанная сумма превышает P ₁, в результате на нижней грани образуются положительные заряды, а на верхней – отрица­тельные. Рассмотренный эффект образования зарядов на гранях, перпендикулярных нагружаемым граням, называется поперечным. При равномерном нагружении со всех сторон (например, гидростатическое сжатие) кристалл кварца остается электрически нейтральным. При нагружении по оси Z, перпендикулярной осям Х и Y и называе­мой оптической осью кристалла, кристалл кварца также остается электрически нейтральным. При механическом напряжении сдвига, деформирующем ячейку так, как показано на рис. 2-14, в, геометриче­ская сумма проекций векторов Р ₂и Р ₃на ось Х равна вектору P ₁, направленному по оси X, и на гранях, перпендикулярных оси X, заряд не возникает. Однако проекции векторов Р ₂ и Р ₃ на ось Y не равны, и на гранях, перпендикулярных оси Y, возникает заряд[1].

Рис. 2-14

 

Рассмотрение физической природы пьезоэффекта показывает, что при напряженном состоянии материала заряды принципиально могут возникать между тремя парами граней. Таким образом, поляризационный заряд является вектором и описывается тремя компонентами. На­пряженное состояние характеризуется тензором второго ранга с де­вятью компонентами.

Пьезоэлектрический модуль, определяющий зависимость заряда от напряженного состояния, является тензором третьего ранга и определяется 27 компонентами.

Тензор механических напряже­ний содержит только 6 независимых компонент, которые обозна­чаются так: s₁₁=s₁, s₂₂=s₂, s₃₃=s₃, s₂₃=s₄, s₁₃=s₅ и s₁₂=s₆. Это позволяет перейти к упрощенной форме записи пьезомодуля, представив его в виде таблицы, содержащей 18 компонент:

 

d_ij=

Область применения пьезо­электрических преобразовате­лей весьма обширна.

1. Преобразователи, в ко­торых используется прямой пьезоэффект (рис.2-15, а), применяются в приборах для из­мерения силы, давления, ус­корения.

рис.6-4 а,б

2. Преобразователи, где используется обратный пьезо­эффект, применяются в качестве излучателей ультразву­ковых колебаний, преобразо­вателей напряжения в дефор­мацию, например, в пьезоэлектрических реле, исполнительных эле­ментах автоматических систем, перемещающих зеркала оптических приборов (рис. 2-15, б), обратных преобразователей приборов урав­новешивания и т.д.

 

Рис. 2-15

 

3. Преобразователи, в которых используются одновременно пря­мой и обратный пьезоэффекты, – пьезорезонаторы, имеющие макси­мальный коэффициент преобразования одного вида энергии в другой на резонансной частоте и резко уменьшающийся коэффициент преобра­зования при отступлении от резонансной частоты, применяются в ка­честве фильтров, пропускающих очень узкую полосу частот (рис. 2-15, в).

Пьезорезонаторы, включенные в цепь положительной обратной связи усилителя, работают в режиме автоколебаний и используются в генераторах. В зависимости от типа кристалла, среза и типа возбуж­даемых колебаний пьезорезонаторы могут выполняться с высокоста­бильной, не зависящей от внешних факторов собственной частотой и с управляемой собственной частотой. Управляемые резонаторы ис­пользуются в частотно-цифровых приборах как преобразователи раз­личных, преимущественно неэлектрических (температура, давление, ускорение и т.д.), величин в частоту.

В пьезоэлектрических преобразователях используются кварц и различные типы пьезокерамик. Пьезокерамики имеют значительно более высокие по значениям, чем кварц, пьезомодули, но худшие упру­гие свойства. Модуль упругости пьезокерамических материалов Е =(0,65¸1,3)10^-11 Па. Добротность, определяемая только механи­ческими потерями, лежит в диапазоне Q = 100 ¸ 300. Тангенс угла потерь (при напряженности Е < 25 кВ/м) для большинства пьезоке­рамических материалов составляет tgd=0,02¸0,05. Все мате­риалы обладают пьезоэлектри-ческими свойствами лишь в определен­ном температурном диапазоне, граница которого определяется точ­кой Кюри. Для кварца точке Кюри соответствует температура Θ _K =530 °С, для пьезокерамик эти температуры значительно ниже.