Исследование пьезорезонансного

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ “ТЕМПЕРАТУРА-ЧАСТОТА”

 

 

Целью работы является ознакомление с принципом работы, устройством пьезорезонансного преобразователя “температура-частота” и определение основных характеристик данного преобразователя.

Пьзоэлектрическими называются кристаллы и текстуры, электризующихся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект). Пьезоэффект обладает знакочувствительностью, т.е. происходит 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: титанит бария, титанит свинца и др.

Обратимость пьезоэлектрического эффекта позволяет выполнять пьезорезонатор в виде двухполюсника, объединяющего системы электрического возбуждения механических колебаний и съёма электрического сигнала. Резонансные колебания в пьезоэлементе возникают в результате установления в нём стоячих ультразвуковых волн. Длина волны

 

λ=υ/ ,

где υ - скорость распространения ультразвука,

- частота излучения.

Если длина волны λ - такова, что на отрезке h между гранями, от которых отражаются волны, укладывается целое число полуволн, то в пьезоэлементе устанавливаются стоячие волны. Стоячим волнам соответствует частота возбуждающего напряжения

 

= ,

где n - число уложившихся полуволн,

E - константа упругости материала,

- плотность материала.

Частота колебаний, при которых на длине h укладывается одна полуволна, является резонансной (основной) частотой и равна

= .

 

Основой исследуемого пьезорезонансного частотного преобразователя является пьезорезонатор, частота которого изменяется под воздействием температуры, которая влияет на геометрические размеры, плотность, и, главным образом, на упругие свойства кварца. Современные кварцевые резонаторы рассчитаны на применение в диапазоне частот 1кГц – 200мГц. Перекрытие такого широкого диапазона частот возможно лишь при использовании сильно отличающихся друг от друга пьезоэлементов. Так минимальная толщина пьезоэлемента составляет примерно 0,05 мм (элементы меньшей толщины непрочны и нетехнологичны), а максимальный размер достигает 50мм. В зависимости от выбора частотоопределяющих размеров пьезоэлемента удаётся изменять частотный диапазон в 1000 раз.

По конструктивному исполнению (виду герметизации) кварцевые резонаторы делятся на две группы: вакуумные (остаточное давление меньше 10 мм рт ст) и герметизированные, а по функциональному назначению – генераторные (для применения в схемах генераторов), а также фильтровые.

Генераторные резонаторы в зависимости от уровня к точности настройки и стабильности частоты подразделяются на резонаторы общего типа и прецизионные, термостатируемые (для использования совместно с термостатом) и термокомпенсируемые (для схем генераторов с термокомпенсацией)

К прецизионным относятся резонаторы с допустимым отклонением рабочей частоты от номинальной 3*10 и менее, и изменением частоты во времени, не превышающем 10 за неделю (или 10 в сутках).

В исследуемом преобразователе используется герметизированный ТКР LC-среза с колебаниями сдвига по толщине.