Автор: Пользователь скрыл имя, 31 Марта 2015 в 22:52, курсовая работа
В данной работе будет описано, что из себя представляет пьезоэлектрический эффект, каким он может быть, какие силы преобразуются при его возникновении. Будет рассказано о пьезоэлектриках и пьезоэлектрических преобразователях, на какие группы они делятся и на основе чего, какие процессы происходят внутри него. Также будет рассказано о том, из каких материалов происходит изготовление пьезоэлектриков, какими свойствами они обладают, для каких из них существует возможность для их добывания человеком, а также возможность изготовления их искусственным путем, с какой целью их применяют.
Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего профессионального
образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"
Московский институт электроники и математики НИУ ВШЭ
Пояснительная записка
Курсовой работе
по дисциплине
“Метрология, стандартизация и сертификация в инфокоммуникациях"
Тема: “Пьезоэлектрические преобразователи”
Выполнила: студент группы РТ-21 - Борисов Дмитрий Валентинович
«Работа зачтена»
“___”_______2015 г. Подпись преподавателя ____________
Москва, 2015
План работы.
В данной работе будет описано, что из себя представляет пьезоэлектрический эффект, каким он может быть, какие силы преобразуются при его возникновении. Будет рассказано о пьезоэлектриках и пьезоэлектрических преобразователях, на какие группы они делятся и на основе чего, какие процессы происходят внутри него. Также будет рассказано о том, из каких материалов происходит изготовление пьезоэлектриков, какими свойствами они обладают, для каких из них существует возможность для их добывания человеком, а также возможность изготовления их искусственным путем, с какой целью их применяют. Далее будут разобраны несколько видов пьезоэлектрических преобразователей, их характеристики, достоинства и недостатки, принцип действия и для чего они предназначены. В конце работы будут представлено несколько конкретных примеров использования пьезоэлектрических преобразователей и выводы.
Французскими учеными, братьями Пьером и Полем Кюри, был обнаружен пьезоэлектрический эффект на кварце в 1880г. Первым кто предложил применить открытое явление, был Поль Ланжевен, он также являлся французом. Все это происходило в годы первой мировой войны. Идея заключалась в том, чтобы при помощи использования ультразвука можно было обнаружить вражеские подводные лодки, а для того чтобы получить сам ультразвук, необходимо было использование пьезоэлектрического эффекта. Явление, похожее на пьезоэффект, открыл в 1847г. Джеймс Джоуль, однако оно было связано с переменным магнитным полем и названо магнитострикцией. Его суть заключалась в том, что линейные размеры кристалла в переменном магнитном поле изменялись.
Пьезоэлектрический эффект или сокращенно
пьезоэффект можно наблюдать в анизотропных диэлектриках, особенно
в кристаллах некоторых веществ, которые
обладают определенной, достаточно низкой
симметрией. Кристаллы могут обладать
пьезоэлектрическим эффектом, если они
не имеют центра симметрии, а имеют так
называемые полярные направления (оси).
Также пьезоэлектрический эффект могут
иметь некоторые поликристаллические
диэлектрики с упорядоченной структурой,
например, керамические материалы и полимеры.
Пьезоэлектрики - это диэлектрики, которые
обладают пьезоэффектом.
Воздействующие внешние механические
силы на пьезоэлектрический кристалл
в определенных направлениях становятся
причиной возникновения в нем не только
механические напряжений и деформаций,
но и электрической поляризации и, следовательно,
появления связанных электрических зарядов
противоположных по знаку на его поверхностях.
Если изменить направление механических
сил на обратное, то становятся противоположными
и направление поляризации, и знаки зарядов
- прямой пьезоэлектрический эффект.
Пьезоэффект является обратимым. При воздействии электрическим полем соответствующего направления на пьезоэлектрик, например, кристалл, в нем появляются механические напряжения и деформации. Является логичным то, что при изменении направления электрического поля на противоположное должны изменяться в обратную сторону направления напряжений и деформаций - обратный пьезоэлектрический эффект[5].
Пьезоэлектрические преобразова
Пьезоэлектрические преобразователи преобразуют энергию электрического поля в механические колебания ультразвуковой частоты.
Применяются для формирования УЗК в твердых, жидких и газообразных веществах. Рабочие частоты: 20 кГц - 1000 кГц. Этот вид преобразователей стал одним из самых распространенных и популярных, практически вытеснив все остальные преобразователи. Поэтому основное внимание в моей работе будет посвящено преобразователям, в основе которых лежит использование пьезоэффекта[1].
Все пьезопреобразователи делят на 3 группы в зависимости от их физического принципа действия и от того, какой пьезоэлектрический эффект в них используется.
1. Преобразователи, которые используют
прямой пьезоэлектрический
2. Преобразователи, в которых применяется обратный пьезоэффект, используются как излучатели ультразвука в гидроакустике и дефектоскопии, преобразователях напряжения в перемещение (пьезореле и пьезодвигатели) для юстировки исполнительных элементов систем автоматики и зеркал оптических приборов. Преобразователи, работа которых основывается на использовании обратного пьезоэлектрического эффекта - преобразователи-двигатели; они противоположны преобразователям-генераторам и обладают электрическим входом и механическим выходом.
3. Преобразователи
Достоинства пьезоэлектрических преобразователей - широкие динамические и частотные диапазоны, высокая линейность характеристик, высокая надежность при эксплуатации и простота конструкции.
Работа пьезоэлектрических преобразователей основывается на применении пьезоэлектрического эффекта, который представляет из себя способность некоторых, определенных материалов образовывать электрические заряды на гранях поверхности при механическом воздействии (прямой пьезоэлектрический эффект), а механически деформироваться при приложении электрического поля (обратный пьезоэлектрический эффект)[1].
Кварц и турмалин - важнейшие природные материалы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами. Из них сильнее ценится кварц, потому что он имеет удовлетворительные пьезоэлектрические свойства, сравнительно малую температурную зависимость пьезоизоляционных постоянных, довольно высокое сопротивление, большой модуль упругости и высокую механическую прочность.
А турмалин имеет только одну оптическую ось Z в отличие от кварца, у которого таковых 2 пьезочувствительные плоскости, поэтому турмалиновые пластины изготавливают так, чтобы их рабочие поверхности были перпендикулярны к оптической оси. Благодаря этому турмалин можно использовать для определения гидростатического давления, что по сути делает его труднозаменимым для определения давления в жидкости. Недостатками турмалина - значительно большая по сравнению с кварцем температурная зависимость пьезомодуля (далее буду писать ПМ), кроме того, его довольно трудно найти в природе, и он имеет высокую цену, что очень сильно ограничивает его практическое использование.
Наряду с указанными природными кристаллами в технике находят применение и искусственные кристаллы: сегнетовая соль (KNT), дигидрофосфат аммония (АДР), дигидрофосфат калия (КДР)
Также используются и другие искусственные кристаллы. В отличие от кварца и турмалина из искусственных кристаллов пластины вырезаются под определенным углом к полярным осям. KNT обладает довольно высоким ПМ (примерно в 150 раз больше ПМ кварца), низкой механической прочностью, большой зависимостью от температуры и влажности. Другие сегнетоэлектрики (КДР и АДР) обладают более высокой механической прочностью, но из-за значительной температурной зависимости для измерительных целей их редко применяют. В последнее время стали широко использовать сегнетоэлектрики в виде пьезокерамик титаната бария и его композиций и др.
Все они в отличие от кварца имеют большой ПМ, механически прочны, более того они могут быть изготовлены любой формы и размеров. Различие форм (например, диск) достигается с помощью соответствующих прессформ. Сделанную заготовку металлизируют и поляризуют при определенной температуре в электрическом поле. Первым в истории из пьезоэлектриков был обнаружен и использован для измерений титанат бария (BaTiO3). Однако, наравне с положительными качествами он обладает и большими недостатками: изменение ПМ при температурных колебаниях, в зависимости от величины нагрузки, воздействующей на него, в процессе хранения, величины шунтирующей емкости и т. д. Влияние механического напряжения проявляется в том, что при нагрузке около 8-Ю7 н*м^2 (8 кгс/мм^2) начинает довольно заметно уменьшаться ПМ d33 и происходит нарушение линейности характеристики Q = f(P). Емкость, шунтирующая ПЭ или масштабная емкость, при величине более 0,1 мкФ также вызывает сильное снижение ПМ.
Именно из-за этих причин пьезoкерамика из чистого титаната бария (или ТБ-1) не используется в ответственных измерениях. Добавка к титанату бария некоторого количества титаната кальция (т.е. двойная композиция типа ТБК-3) или титаната кальция с титанатом свинца (т.е. тройная композиция типа БКС) снижает временную и температурную зависимости ПМ и диэлектрической проницаемости, но при этом их абсолютные величины довольно заметно понижаются.
Все перечисленные пьезокерамики на данный момент довольно широко распространены, и их используют для всевозможных целей. ПЭ, который работает на изгиб, состоит из двух одинаковых балок или плаcтинок, склеенных между собой, и между ними распoлагается прокладка, сделанная из металла. При изгибе данного элемента одна балка становится короче, а другая длиннее. При определенной поляризации элементов мы можем получить либо сумму зарядов, либо сумму напряжений.
Пьезокерамические материалы делятся на следующие классы:
1) Материалы для
2) Материалы, которые используются для технологических аппаратов, где преобразователи работают в режиме сильных механических и электрических напряжений.
3) Материалы для УЗП с
4) Материалы для работы при температурах выше 523К, имеющих устойчивые пьезоэлектрические характеристики. Характеризуются пьезоэлектрические материалы разной рабочей температурой, говоря иными словами, они могут работать строго до соответствующей температуры, которая называется температурой Кюри. Когда происходит достижение этой температуры, пьезоэффект исчезает и не восстанавливается.
Преимущество преобразователей, которые работают на изгиб – гораздо большая чувствительность в отличие от работающих на сжатие. Однако изгибные преобразователи довольно сильно уступают последним по прочности и по диапазону частот. Достоинство данного преобразователя - при приложении усилия в плоскости, перпендикулярной оси керамики, заряд на проводящих обкладках не появляется, из-за чего ощутимо снижается погрешность измерений по причине влияния боковых составляющих.
Пьезоэлектрические преобразователи можно использовать для измерения силы, давления и других измерений, в которых прямо или косвенно проявляются силовые воздействия. Если на пьезокерамику воздействовать механически, то на ее проводящих обкладках должно возникать то или иное напряжение. На самом деле включение преобразователя в схему сопровождается подключением параллельно его собственной емкости С и других емкостей, образованных емкостью соединительного кабеля С" и входной емкостью усилителя Сy[1].
Вилочные датчики, изготовленные из нержавеющей с
У данных преобразователей есть свои преимущества: