Кафедра электронных систем и устройств

 

Реферат на тему:

 

“Пьезоэлектрические датчики”

 

Выполнил: студент группы 5105 Нефедов Юрий Николаевич

 

Принял: к.т.н доцент Медников Валерий Александрович

доцент Меркулов Анатолий Игнатьевич

 

Самара, 2012

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..3

1. История развития пьезоэлектричества……………………………………….. 4

2. Природа пьезоэффекта………………………………………………………… 6

3. устройство пьезодатчиков……………………………………………………. 9

4. Чувствительность пьезодатчика и требования к измерительной цепи……. 10

5. Классификация пьезоэлектрических датчиков……………………………… 11

6. Параметры и характеристики пьезокерамических

материалов и элементов…………………………………………………………13

заключение …………………………………………………………………. 14

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………… 15

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Пьезоэлектрический эффект (сокращенно пьезоэффект) наблюдается в анизотропных диэлектриках, преимущественно в кристаллах некоторых веществ, обладающих определенной, достаточно низкой симметрией. Пьезоэффектом могут обладать кристаллы, не имеющие центра симметрии, а имеющие так называемые полярные направления (оси). Пьезоэффектом могут обладать также некоторые поликристаллические диэлектрики с упорядоченной структурой (текстурой), например керамические материалы и полимеры. Диэлектрики, обладающие пьезоэффектом, называют пьезоэлектриками.

Пьезоэлектрики являются обратимыми электромеханическими преобразователями, т. е. способны преобразовывать механическую энергию в электрическую и, наоборот, электрическую энергию в механическую. Преобразователи, основанные на использовании прямого пьезоэффекта, называют преобразователями-генераторами; они имеют механический вход и электрический выход. Преобразователи, основанные на использовании обратного пьезоэффекта, называют преобразователями-двигателями; они имеют электрический вход и механические выходы. Известно множество пьезоэлектрических устройств, основанных на использовании как прямого, так и обратного эффектов. Прямой эффект используется, например, в микрофонах, звукоснимателях, датчиках механических сил, перемещений и ускорений, бытовых зажигалках для газа и др. Обратный эффект послужил основой для создания телефонов, громкоговорителей, ультразвуковых излучателей, реле, двигателей и т. п.

 

1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВА.

История развития пьезоэлектричества насчитывает более 120 лет. В 1880 г. Пьер и Жак Кюри обнаружили, что под воздействием си­лы на поверхности некоторых материалов возникают электрические заряды. Этот эффект впоследствии был назван прямым пьезоэффектом, электричество, вызванное механическим давлением — пьезо­электричеством, а материалы, в которых происходит это явление — пьезоэлектрическими (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.).

Г. Липман в 1881 г. предсказал, что электрическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому материалу, должно вызывать в нем механическое напряжения и упругие деформации, что было доказано экспериментально П. и Ж. Кюри. Это явление было на­звано обратным пьезоэффектом: слово «пьезо» (piezo) заимствовано из греческого и означает «давлю».

Практическое применение пьезоэлектрического эффекта нача­лось с 1917 г., когда французский математик и физик Поль Ланже-вен предложил использовать ультразвуковой эхолокационный прибор для обнаружения подводных объектов. В этом приборе в качестве излучателя и приемника ультразвуковых сигналов использовались кварцевые пластинки, вмонтированные между стальными накладка­ми, понижающими резонансную частоту преобразователя. Вна­чале ультразвуковой локатор Ланжевена использовался в качестве эхолота. Дальнейшее его усовершенствование привело к созданию современных ультразвуковых эхолокаторов, широко применяемых для обнаружения различных подводных препятствий, в том числе и подводных лодок.

Вскоре после изобретения Ланжевена появились первые разра­ботки пьезоэлектрических микрофонов, телефонов, звукоснимате­лей, приборов для звукозаписи, устройств для измерений вибраций, сил и ускорений и т.д.

Следующим важным этапом в истории применения пьезоэлектри­чества было использование пьезоэлектрических пластинок и стерж­ней в качестве элементов, стабилизирующих частоту электронных высокочастотных генераторов. Это применение основано на силь­ной зависимости электрического импеданса пьезоэлемента от часто­ты вблизи механического резонанса, на что впервые обратил внима­ние У. Кэди в 1922 г.

В 1925 г. пьезоэлектрическая пластинка была впервые применена для измерения акустических свойств вещества: Г. Пирс использовал ее в акустическом интерферометре для измерения скорости ультра­звука в газах.

Важным этапом применения пьезоэлектричества для практиче­ских целей было открытие возможности обнаружения внутренних дефектов в твердых телах при помощи ультразвуковых волн. При­оритет в этой области принадлежит отечественной науке: в 1928 г. С. Я. Соколов получил авторское свидетельство СССР на изобрете­ние первого ультразвукового дефектоскопа.

Следующим шагом в использовании пьезоэлектрических преобра­зователей в ультраакустических исследованиях веществ было разви­тие методов измерения скорости и поглощения ультразвука, осно­ванных на эффекте дифракции света на ультразвуковых волнах. Этот эффект открыли в 1932 г. Р. Дебай и Ф. Сире и незави­симо от них Р. Люка и П. Бикар. Работы, в которых этот метод использовался для измерения скорости и поглощения ультразвука в жидкостях и твердых телах, начали появляться начиная с 1936 г.

В 1944 г. в физическом институте им.Лебедева АН СССР Б. М. Вул и И. П. Гольдман впервые в мире методом синтеза получили пьезо-керамический титанат бария (ВаТiОз). На основе титаната бария, предварительно поляризованного в сильном электрическом поле, вскоре были разработаны первые пьезокерамические электро­акустические преобразователи, которые сразу привлекли к себе внимание сильно выраженными пьезоэлектрическими свойствами, простотой технологии изготовления преобразователей различных конфигураций и сравнительной дешевизной исходных материалов.

Быстрыми темпами расширялись области применения пьезоэлек­трических преобразователей в послевоенные годы. Появился целый ряд новых областей, таких как ультразвуковые линии задержки, ультразвуковая медицинская терапия и диагностика, уровнемеры, приборы для непрерывного промышленного контроля физико-хими­ческих свойств веществ и другие приборы, в которых широкое при­менение нашли пьезоэлектрические преобразователи, совершающие продольные колебания по толщине. Вместе с тем актуальной ста­ла разработка более эффективных электроакустических преобразо­вателей. Поэтому во многих странах большое внимание уделялось разработке новых пьезоэлектрических материалов.

2. Природа пьезоэффекта

Работа пьезоэлектрического датчика основана на физи­ческом явлении, которое называется пьезоэлектрическим эффектом. Этот эффект проявляется в некоторых кристаллах в виде по­явления на их гранях электрических зарядов разных знаков при сжатии кристалла в определенном направлении. Слово «пьезо» по-гречески означает «давлю». В зависимости от значения силы сжатия (или растяжения) меняется ко­личество зарядов, а следовательно, и разность потенциалов, замеренная меж­ду гранями. Пьезоэлектрические датчи­ки относятся к генераторному типу. Ши­роко известны пьезоэлектрические звуко­сниматели: игла звукоснимателя воспри­нимает все изменения глубины звуковой дорожки и передает их на пьезокристалл. Выходное напряжение с пьезокристалла усиливается, и через динамик мы слышим записанные звуки. Появление зарядов на гранях в зависимости от сжа­тия называется прямым пьезоэффектом. Существует и обратный пьезоэффект: при подаче напряжения на грани крис­талла изменяются его размеры (он сжи­мается или разжимается). Обратный пьезоэлемент нашел применение в ультразвуковых генераторах. А основанные на прямом пьезоэффекте пьезоэлектрические датчики используются в автоматике для измерения давлений, вибраций, ускорений, других параметров быстропротекающих процессов.

Рассмотрим появление зарядов на гранях кристалла кварца, у которого пьезоэлектрический эффект достаточно сильно выражен. На рис. 1 изображен кристалл кварца, который имеет вид шестигранной призмы. В кристалле можно выделить три оси симметрии: Z—продольная ось, называемая оптической осью; X — поперечная ось, проходящая через ребра призмы перпендикулярно продольной оси; Y — поперечная ось, проходящая через грани призмы пер­пендикулярно им и осям Z, X. Ось X называется электрической осью, ось Y — механической или нейтральной.

Рис. 1 Кристалл кварца

 

Вырежем из кристалла кварца параллелепипед таким образом, чтобы его грани были перпендикулярны осям X, Y, Z, и рассмотрим появление зарядов на его гранях под действием сил, ориентирован­ных по осям X, Y, Z, т. е. нормально к плоскостям граней. Под дей­ствием силы F_x вдоль электрической оси X на каждой из граней параллелепипеда, перпендикулярной оси X, появляются электриче­ские заряды. Величина зарядов не зависит от геометрических раз­меров кристалла, а определяется силой Fx:

q_x = K₀F_x (1)

где Ко — пьезоэлектрическая постоянная материала, или пьезоэлек­трический модуль. Знак зарядов (полярность) зависит от направ­ления силы по оси X (сила сжатия или сила растяжения).

Под действием силы растяжения F_Y вдоль механической оси Y возникают заряды на тех же гранях, что и при действии силы F_x (т. е. на гранях, перпендикулярных оси X), но знак заряда будет тот же, что при действии силы сжатия F_X. Соответственно сила сжатия F_yприводит к появлению зарядов натех же гранях и то­го же знака, что сила растяжения Fx-Величина зарядов под дей­ствием сил Fy зависит от геометрических размеров кристалла b и с (рис. 1) и пропорциональна силе:

q_Y=-K₀F_y(b/c). (2)

Коэффициент К₀ вформулах (1) и (2)один и тот же. Знак минус означает, что полярность заряда от сил сжатия по осям X и У противоположна. Появление зарядов под влиянием силы F_x называется продольным пьезоэффектом, а под влиянием силы F_Y—поперечным пьезоэффектом. Сжатие или растяжение по оси Z не вызывает появления зарядов на гранях. Появляющиеся на гранях пьезоэлемента под действием сил F_x и F_Y электрические заряды исчезают, как только прекращается действие силы. Кроме того, да­же если сила приложена постоянно, заряды стекают через воздух или изоляцию. Поэтому пьезоэлектрические датчики используют лишь для измерения динамических процессов, когда под действием переменных сил заряды награнях все время восполняются. В пье­зоэлектрических датчиках получили применение кроме кварца сегнетова соль и титанат бария. Свойства кристаллов этих материалов, имеющие значение для изготовления пьезодатчиков, приведены в табл. 1.

Таблица 1

 

Пьезоэлектрический модуль кварца сравнительно невысок. Но его главное достоинство — низкая стоимость. Ведь кварц — это один из самых распространенных породообразующих минералов, его состав (SiO₂) тот же, что и уобычного песка. Кварц также имеет большую механическую прочность, хорошие изоляционные свойства, незначительную зависимость параметров от температуры.

Наиболее ярко пьезоэлектрический эффект выражен в кристал­лах сегнетовой соли: при одной и той же силе появляется в тысячу разбольшее количество электричества, чем у кварца. Однако эти заряды довольно быстро стекают из-за малого удельного сопротив­ления. Свойства сегнетовой соли изменяются в зависимости от тем­пературы и влажности. Поэтому пьезоэлементы из сегнетовой со­ли применяются для измерения быстропеременных сил и давлений при малой влажности и нешироком диапазоне изменения темпера­туры окружающей среды.

Титанат бария имеет и большое значение пьезоэлектрического модуля (на два порядка выше, чем у кварца), и высокую механиче­скую прочность, и независимость параметров от изменения влаж­ности. Его недостаток — старение, со временем он теряет свои свой­ства (примерно на 10% загод).

 

3. устройство пьезодатчиков

Пьезоэлектрические датчики применяются для измерения давления, силы, ускорения. На рис. 2 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 (а иногда и больше) пластин повышает выходную ЭДС, поскольку выходные сигналы пластин складываются.

На рис. 3 показан пьезоэлектрический датчик ускорения, ис­пользуемый в виброизмерительной аппаратуре. Пьезоэлемент 1 из титаната бария расположен в корпусе прибора 2 между инерцион­ной массой 3 и 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 4 прижат к основанию корпуса гайкой 5 через сферическую пяту 6, изоляцион­ную прокладку, пружинную шайбу и контактную пластину. Вы­вод сигнала выполнен с помощью специального антивибрационного кабеля. Датчик измеряет ускорения от 0,2 до 200 g. Коэффициент преобразования порядка 8 мВ на 1 g. Минимальная частота вибро­ускорений 5 Гц.

 

Рис. 2 Пьезоэлектрический Рис. 3 Пьезоэлектрический

датчик давления. датчик ускорен

4. Чувствительность пьезодатчика и требования к измерительной цепи

Пьезоэлектрический датчик подобен электрическому кон­денсатору. Количество электричества q, появившееся под воздейст­вием механической силы, заряжает грани пьезоэлемента и соеди­ненные с ним проводники до напряжения U, определяемого как U=q/C, где С — емкость между проводниками (включая емкость пьезоэлемента). Чувствительность датчика определяется как прира­щение выходного напряжения, соответствующее изменению силы F. При параллельном соединении п пластин их емкость складывается. Чувствительность пьезодатчика в этом случае:

S_д=nK₀/(С_вх + С₀n), (3)

где п— количество пластин; Ко — пьезоэлектрический модуль мате­риала пластины; С_вх — емкость измерительной цепи; С₀ — емкость одной пластины.

Емкость одной пластины датчика толщиной d и площадью s можно определить как емкость плоскопараллельного конденса­тора:

C_o=εε_os/d,

Где ε₀— абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; ε_о=8,85*10^-12 Ф/м. Емкость пьезоэлемента С на практике бывает невелика и выражается в пикофарадах (1 пФ=10^-12 Ф). Выходной сигнал пьезодатчика U=S_ДF, где F — измеряемая сила.

Заряженный до напряжения U конденсатор будет разряжаться через сопротивление датчика R_o и сопротивление измерительной це­пи R_BX. Для уменьшения скорости разряда необходимо стремиться к увеличению постоянной времени цепи разряда Т= (R₀/n + R_вх)x Х(пС₀ + С_вх). При практически реализуемых значениях сопротив­ления датчика R_o (десятки и сотни МОм) и его емкости С₀ (десят­ки пФ) надо обеспечить очень большое входное сопротивление измерительной цепи. Для этого используются специальные электрон­ные лампы, называемые электрометрическими. Электрометрические схемы могут обеспечить входное сопротивление измерительной це­пи до 10¹³ Ом. Для увеличения постоянной времени разряда парал­лельно датчику иногда включают конденсатор. Применение измери­тельных цепей с очень большим входным сопротивлением позволяет снизить нижнюю границу частоты входных сигналов до нескольких герц.

При измерении высокочастотных (быстроизменяющихся) удар­ных нагрузок и ускорений пьезоэлектрические датчики имеют преи­мущество перед датчиками других типов.

 

 

5. Классификация пьезоэлектрических датчиков

 

Пьезоэлектрические датчики содержат кристаллы или текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект).

Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кристаллические вещества: кварц, турмалин, ниобат лития, сегнетова соль и др., а также искусственно создаваемые и специально поляризуемые в электрическом поле поликристаллические материалы (пьезокерамики): титанат бария, титанат свинца, цирконат свинца и др.

Пьезоэлектрические датчики можно разделить на два крупных класса в зависимости от физических эффектов, лежащих в их основе.

По разрешающей способности и точности эти устройства во многих случаях превосходят преобразователи, выполненные на других физических принципах.

К первому классу относятся датчики, использующие прямой пьезоэффект. Они используются для измерения линейных и вибрационных ускорений, динамических и квазистатических давлений и усилий, параметров звуковых и ультразвуковых полей и др.

Ко второму, не менее обширному классу пьезодатчиков относятся так называемые резонансные пьезодатчики. В их основе может лежать обратный пьезоэффект (резонансные пьезодатчики на основе пьезоэлектрических резонаторов), а также обратный и прямой пьезоэффекты (резонансные пьезодатчики на основе пьезоэлектрических трансформаторов). Кроме того, в их основе лежат другие физические эффекты (тензочувствительность, акусточувствительность, термочувствительность и др.), что

позволяет использовать их для измерения статических и динамических давлений и усилий, линейных и вибрационных ускорений, концентраций веществ в газах, вязкости, углов наклона и др.

Классификация пьезодатчиков проводиться по следующим

признакам:

1. По применяемому материалу:

– монокристаллические (кварц, ниобат лития и др.);

– поликристаллические (пьезокерамики).

2. По виду колебаний:

– по линейному размеру;

– радиальные;

– изгибные;

– крутильные;

– сдвиговые;

– на поверхностных акустических волнах;

– комбинированные.

3. По виду физических эффектов:

– термочувствительные;

– тензочувствительные;

– акусточувствительные;

– гирочувствительные;

– контактные (использующие контактную жесткость и

фактическую площадь контакта) и т.п.;

– доменно-диссипативные и др.

4. По количеству пьезоэлементов:

– моноэлементные;

– биморфные (симметричные, асимметричные);

– триморфные и т. д.

5. По назначению:

– для измерения статических и динамических давлений и

усилий;

– для измерения линейных ускорений и угловых скоростей;

– для измерения параметров вибраций;

– для измерения параметров удара;

– для измерения звукового давления;

– для измерения влажности;

– для измерения вязкости;

– для гидроакустики;

– в ультразвуковой технологии;

– в электроакустике;

– в устройствах автоматики;

– в электронной технике и радиотехнике;

– в медицине и т.д.

 

6. Параметры и характеристики пьезокерамических материалов и элементов.

Основными характеристиками пьезокерамических материалов являются:

– коэффициент электромеханической связи;

– относительная диэлектрическая проницаемость;

– удельное объемное электрическое сопротивление;

– плотность;

– водопоглощение;

– пьезомодули в динамическом режиме;

– пьезомодуль в статическом режиме;

– модуль Юнга;

– скорость звука;

– механическая добротность;

– относительное отклонение частоты в интервале рабочих температур от частоты, измеренной при температуре настройки;

– электрическая прочность;

– предел механической прочности при статическом сжатии и изгибе;

– предел механической прочности при статическом растяжении.

 

Основные характеристики пьезоэлектрических преобразователей:

1. Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности. Эта область ограничена пределами измерений –

наибольшим и наименьшим значением диапазона измерений.

2. Чувствительность S – отношение изменения сигнала на выходе преобразователя ΔY к вызвавшему его изменению измеряемой величины ΔХ: S = ΔY/ΔХ. Различают чувствительности абсолютную S и относительную S0.

3. Порог реагирования (чувствительности) – изменение измеряемой величины, вызывающее наименьшее изменение показаний, обнаруживаемое наблюдателем.

4. Погрешности. При градуировке серии однотипных преобразователей оказывается, что их характеристики несколько отличаются Друг от друга, занимая некоторую

полосу. Поэтому в паспорте измерительного преобразователя приводится некоторая средняя характеристика, называемая номинальной. Разности между номинальной (паспортной) и реальной характеристиками преобразователя рассматриваются как его погрешности.

5. Время установления показаний (время успокоения) – промежуток времени, прошедший с момента изменения измеряемой величины до момента установления показаний.

6. Надежность – способность преобразователя сохранить свои характеристики в определенных пределах в течение установленного интервала времени при заданных условиях эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Исходя из физического принципа действия все пьезоэлекрические преобразователи делятся на три группы:

Преобразователи, использующие прямой пьезоэффект и применяемые в приборах для измерения параметров механических процессов, в том числе: силы, акустического и быстропеременного давления, линейных и угловых ускорений, а также вибрации, ударов.

Преобразователи, использующие обратный пьезоэффект и применяемые в качестве излучателей ультразвука в гидроакустике и дефектоскопии, преобразователях напряжения в перемещение (пьезодвигатели и пьезореле) для юстировки зеркал оптических приборов и исполнительных элементов систем автоматики.

Преобразователи параметрического типа, использующие одновременно прямой и обратный пьезоэффекты - пьезоэлектрические резонаторы, наиболее эффективно излучающие и принимающие энергию на фиксированной резонансной частоте. Пьезорезонаторы применяются в полосовых фильтрах, линиях задержки, преобразователях перемещения или присоединенной массы в частоту для датчиков уровня, плотности и др.

Достоинствами пьезоэлектрических преобразователей являются высокая линейность характеристик, широкие динамические и частотные диапазоны, простота конструкции и высокая надежность при эксплуатации.

За рубежом лидерами в данной области техники являются: PCB Piezotronik JNG, Endevco Corporation, DYTRAN, Sanstard Date contrl - (США), Erich Broza, Rheometron - (Германия), Flopetron, C.F.V. LTD - (Франция), Mullard Ltd, Merles, Motoroia JNG, AVL - (Великобритания), Kistler Instrument AG, Vibro-meter - (Швейцария), Hans List –(Австрия), Bruel & Kjaer (Дания).

Ведущими предприятиями в России по разработке и выпуску пьезоэлектрических преобразователей и датчиков являются НИИ Физических измерений г. Пенза, ЦНИИМАШ г. Королев, НКТБ Пьезоприбор ЮФУ, ООО "Пьезоэлектрик" г. Ростов-на-Дону, ЗАО "Виброприбор", ООО "Актив-Термокуб" г.Екатеринбург, г. Санкт-Петербург[5].

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Пьезоэлектрическое приборостроение: сборник в 3 томах. Т. 3. Богуш М.В. Пьезоэлектрические датчики для экстремальных условий эксплуатации. Ростов-на-Дону. Издательство СКНЦ ВШ, 2006, 346 с: ил.

2. Пьезоэлектрические датчики. В. Шарапов, М. Мусиенко, Е. Шарапова. Москва. Издательство «Техносфера», 2006, 632 с.

3. Электромеханические и магнитные элементы систем автоматики. Ю. М. Келим. Москва. Издательство «Высшая Школа», 1991 г.