Piezoelektromos - studopediya
A működési elve piezoelektromos alapulnak a direkt vagy inverz piezoelektromos hatás. Közvetlen piezoelektromos hatás az a képesség, bizonyos anyagok alkotnak elektromos töltésük felületükre a mechanikai terhelés során, a fordított változás a mechanikai stressz vagy a geometriai méretei a mintaanyag hatása alatt egy elektromos mező.
Mivel a piezoelektromos anyagok általánosan használt természetes anyag kvarc, turmalin, valamint mesterségesen polarizált kerámiák alapján bárium-titanát (VaTiO3), ólom-titanát (PbTiO3) és ólom-cirkonát (PbZrO3). Akkor más anyagokat.
Mennyiségileg piezoelektromos becsült piezomodulus Kd. között teremt kapcsolatot a Q töltésű előforduló és alkalmazott F erő,
Tól piezomaterials leggyakoribb kvarc, köszönhetően annak kielégítő piezoelektromos tulajdonságokkal, nagy ellenállás, ellenállás a hőmérséklet és a páratartalom, a magas mechanikai szilárdság. Kvarc elhanyagolható lineáris hőtágulási együtthatója, a piezoelektromos modulusa egyenlő 2,3 • 10 -12 C / N, lényegében független a hőmérséklet 200 ° C, a tartományban 200-500 ° C nem változik jelentősen, 573 ° C-on lesz nulla, elektromos ellenállása mintegy 10 16 ohm / m, a rugalmassági modulusa E = 7,7 × 10 okt Pa [20, 22, 32].
Piezokerámia jelenti az összeforrasztott terméket tömörített keveréket tartalmazó finomeloszlású ferroelektromos kristályokat. A jellemző az, hogy ferroelektromos domén struktúra véletlenszerűen orientált domének poláros irányban. A piezoelektromos tulajdonságai ferroelektromos piezokerámia szerez után polarizációs elektromos térben.
A mechanikai szilárdság piezoelektromos kerámiák nagyon magas, de függ a feldolgozási technológia és a minőség simuló repülőgépek. Piezoelektromos modulus, dielektromos állandó és a stabilitás függ a választott polarizációs irányát, az irányt az F erő és a töltés eltávolítása Q.
Piezoelektromos kerámia alapú ólom niobát (NBS) és ólom-cirkonát-titanát (PZT) stabilabbak, mint a bárium-titanát, de az érzékenység rosszabb nekik. Így, piezoelektromos kerámia alapján a bárium-titanát Curie-pontja 120 ° C hőmérsékleten és körülbelül 100 piezomoduli × december 10 C / N és a PZT piezoelektromos kerámia 19, a Curie-pontja 290 ° C, és több mint kétszer olyan magas értéke piezoelektromos [14, 22].
Minden természetes piezomaterials egy olyan kristályos szerkezettel, amely meghatározza a tulajdonságait a jelátalakítók. Például, a kvarc kristály szerkezet, amelyben hatszög hasáb lehet megkülönböztetni. Ahhoz képest a kristály tengelyek három csoportba sorolhatók: egy hosszanti vagy optikai tengelye Z, középpontján átmenő a prizma, az elektromos X tengely áthalad a prizma élei általában, hogy a kristály optikai tengelye (három) és egy mechanikus vagy semleges tengely
Y, normális, hogy az arcok a kristály (szintén három). Pezochuvstvitelny elem tipikusan vágjuk egy kvarckristály lemezt alkotnak (paralelepipedon), amelynek oldalai párhuzamosak a kristály tengelyek (ris.9.24 a).
Ebben az ellazult állapotban a lemez összes díjat kompenzálják, és elektromosan semleges. Ha a kvarc lemez egy F erő az X tengely mentén, annak arcok merőleges az X tengely, eltérő polaritású elektromos töltések Q. Az értékek ezeket a díjakat a rugalmas deformációk vannak lineárisan függ az alkalmazott erő összhangban expressziós (9,15). Ez az úgynevezett longitudinális piezoelektromos hatás. töltés értékek nem függenek a geometriai méretei a lemez, és határozza csak az erő F.
Ha a lemezt nyomásnak vetjük alá az Y tengelyen, majd ugyanazon a arcok díjak újra, de most az ellenkező megjelölés (keresztirányú piezoelektromos hatás). töitésértéket keresztirányú fordul egyenlő pzoeffekte
ahol a és b - a piezo-elem méretei irányába tengelyek X és Y. irányától függően az F erő (nyomó vagy húzó) jelei díjakat a széleit a lemez változik.
Kérelmére az F erő mentén a Z tengely a piezoelektromos hatás nem figyelhető meg. Kvarc lemez is elektromosan semleges, ha ki vannak téve a egységes minden oldalon (például, hidrosztatikus nyomás).
Turmalin (ellentétben kvarc) nem kettő, hanem egy pezochuvstvitelnuyu merőleges síkban az optikai tengelyre Z. miatt ez a funkció turmalin lehet mérésére hidrosztatikus nyomás, ami elengedhetetlenné teszi, hogy a mérési nyomás folyadékokban.
Szerkezetileg piezoelektromos nyomásátalakító van a piezo lemez. A két lapján bevont elektródák, amellyel a töltés vagy feszültség eltávolítjuk. Feszültség a lemezeket hiányában terhelés
ahol kapacitás a piezoelektromos elem átalakító JV = ESX / a. Itt e - dielektromos állandója az anyag a lemez; S = HB -area arcok merőleges az X tengely; és - a lemez vastagsága.
Hogy növelje a jelet a jeladó lemezmosó gyakran piezokerámialemez vállalatok az oszlopban (ábra. 9.24,6).
Együtt átalakítók, amelyben a piezoelektromos elem működik nyomó, húzó, szerkezet alkalmazható, melynél elem működik a hajlító és nyíró (ábra. 9.25, ac). Converter, a hajlítás, két azonos lemezre visszük összeragasztva. Köztük van egy fém fólia. Amikor ilyen hajlító egy lemezszerű elem meg van hosszabbítva, és a másik rövidíteni. Attól függően, hogy az áramkör csatlakozó elektródok állíthatók elő, vagy a stressz (ábra. 9,25, a), vagy az összeget a díjak (ris.9.25 b). Átalakító fut egy kanyarban, érzékenyebb, mint jelátalakítós működő tömörítés. Ugyanakkor vannak rosszabb, mint az utóbbi ereje és frekvenciatartományban.
Converter működő nyíró, egy gyűrű kerámia 1 (ábra. 9,25 in), amely ragasztva a belső elektróda 3, és maga is ragasztva a külső elektróda 2. Az intézkedés alapján az F erő nyírási alakváltozás lép fel párhuzamos síkokban a polarizáció irányát. Előnyei egy ilyen átalakító, a nyírási áll hiányában díjak az elektródák a mellékhatások az érzékelő.
A csatlakoztatott terhelés a kimeneti jelátalakító, azzal jellemezve ellenálláson RH és a kapacitás CH. attól függ, hogy a kapacitás a vezetékeket, a bemeneti kapacitás az erősítő, és így tovább. d.
Abban az esetben, kvarc átalakítók JV <<СH. а при использовании пьезокерамики, емкостьпьезоэлемента часто сравнима с емкостью нагрузки и даже превышает ее. Эквивалентная схема преобразователя с нагрузкой представлена на рис. 9.26. Для нее можно записать выражение для выходного напряжения
rs ahol Rp = RH / (RH + Rp); Rp. JV - az ellenállás és kapacitás a piezoelektromos jelátalakító elem.
Figyelembe véve, kifejezések (9.16) és (9.17)
A t = 0 (vagy p = ¥) terhelési feszültség
Ha az F erő állandó, a kimeneti feszültség esik exponenciálisan nullára (t = ¥, t. E. p = 0)
ahol UVYH.0 - feszültség elején kisülési; Se - az ekvivalens kapacitás az átalakító.
Minél hosszabb az idő állandó é, a lassabb feszültség csökken, ami különösen fontos, ha mérési lassan változó folyamatokat.
Az érzékenység a piezoelektromos jelátalakító
Az érzékenység fokozására jelátalakító készült n lemezek, lebonyolítása őket párhuzamosan és összekötő oszlopra (ábra. 9,25, b) Ebben az esetben van
A kimeneti feszültség viszonylag kicsi, ezért általában meg kell erősíteni.
Hibák piezoelektromos átalakítók, mely elsősorban hibák változtatása révén a paramétereket a mérési (CH tároló áramkör), a hőmérséklet hiba által okozott változást a piezoelektromos modul, hibák miatt nem megfelelő telepítés a lemezek, a hiba miatt az érzékenység ható erők merőleges a mérési tengelyen az átalakító, és a frekvencia hibát . Az alacsony frekvenciatartományban frekvenciahibánál adja meg:
A felső határ a megengedett frekvenciatartomány döntően a mechanikai paraméterei az átalakító [32]. Piezoelektromos átalakítók lehet természetes f0 = 100 kHz, amely lehetővé teszi, hogy mérjük a mechanikai mennyiségek változnak gyakorisága 7-10 kHz, és ezek szabadonfutó eleme [29].
Az előnyök a piezoelektromos kell tartalmaznia egyszerű kialakítás, kis méret és a költség, nagy megbízhatóságú, képes mérni gyorsan változó mennyiségben. Hátrányok - alacsony érzékenységű mérési alkalmatlan statikus változók nagy bemeneti impedancia mérés áramkör, a viszonylag alacsony kimeneti szint, amely előírja, közbenső erősítőt.