eng
Содержание
Предисловие
Глава 1
Общие сведения о пьезоэлектрических датчиках
1.1.
Краткий исторический очерк
1.2.
Определение и классификация пьезоэлектрических датчиков
1.3.
Свойства и характеристики пьезоматериалов
1.4.
Методы исследований преобразователей
1.5.
Параметры пьезокерамических материалов и элементов
1.6.
Методы определения параметров пьезокерамических элементов
1.7.
Пьезокерамические материалы
1.8.
Формулы для расчета характеристик пьезокерамических материалов
1.9.
Основные характеристики преобразователей физических величин
Литература к главе 1
Глава 2
Мономорфные пьезокерамические элементы для преобразователей
2.1.
Расчет электрических параметров пьезокерамических резонаторов
2.2.
Эквивалентные схемы пьезорезонаторов
2.3.
Расчет электрических параметров пьезорезонаторов
2.4.
Колебания пьезокерамических стержней
2.5.
Пьезокерамические трансформаторы
Литература к главе 2
Глава 3
Пространственная энергосиловая структура пьезокерамических элементов
3.1.
Синтез пространственной энергосиловой структуры пьезокерамического элемента
3.2.
Анизотропия характеристик пьезокерамических материалов
3.3.
Поперечные пьезоэлектрические преобразователи
3.4.
Доменно-диссипативные пьезокерамические преобразователи
3.5.
Динамические характеристики доменно-диссипативных пьезопреобразователей
3.6.
Применение доменно-диссипативных пьезопреобразователей
Литература к главе 3
Глава 4
Измерительные цепи пьезоэлектрических преобразователей
4.1.
Усилители заряда
4.2.
Усилители напряжения
Литература к главе 4
Глава 5
Обратная связь в пьезоэлектрических преобразователях
5.1.
Влияние обратной связи на характеристики преобразователей
5.2.
Пьезоэлектрические преобразователи с пространственной электромеханической отрицательной обратной связью
5.3.
Доменно-диссипативные пьезопреобразователи с пространственной электромеханической отрицательной обратной связью
5.4.
Пьезоэлектрические преобразователи с пьезоэлементом в цепи обратной связи усилителя заряда
5.5.
Электрическая обратная связь в пьезоэлектрических преобразователях
5.6.
Пьзопреобразователи с комбинированной обратной связью
5.7.
Электрическое демпфирование пьезоэлектрических преобразователей с обратной связью
Литература к главе 5
Глава 6
Двухконтурная обратная связь в пьезоэлектрических преобразователях
6.1.
Пьезопреобразователи с усилителями напряжения в цепях обратной связи
6.2.
Пьезопреобразователи с выходным усилителем заряда и усилителем напряжения в дополнительном канале обратной связи
6.3.
Пьезопреобразователи с выходным усилителем напряжения и усилителем заряда в дополнительном канале обратной связи
6.4.
Пьезопреобразователи с двумя усилителями заряда с пьезоэлементами в цепях обратных связей усилителей
Литература к главе 6
Глава 7
Биморфные и триморфные пьезоэлементы
7.1.
Симметричные биморфные пьезоэлементы
7.2.
Асимметричные биморфные пьезоэлементы
7.3.
Триморфные пьезоэлементы преобразователей
7.3.1.
Асимметричные планарные триморфные пьезопреобразователи
7.3.2.
Асимметричные компланарные триморфные пьезопреобразователи
7.3.3.
Симметричные компланарные триморфные пьезопреобразователи
7.4.
Колебания асимметричного компланарного триморфного пьезопреобразователя с ОС
7.5.
Контроль биморфных пьезоэлементов
7.6.
Технология изготовления биморфных пьезоэлементов
Литература к главе 7
Глава 8
Синтез пьезомагнитных преобразователей
8.1.
Пьезомагнитные электроакустические преобразователи
8.2.
Влияние конструктивных параметров магнитов
8.2.1.
Цилиндрические магниты
8.2.2.
Прямоугольные магниты
8.3.
Пьезомагнитные датчики тахометров
8.4.
Улучшение характеристик пьезомагнитных датчиков
Литература к главе 8
Глава 9
Гидроакустические пьезопреобразователи
9.1.
Классификация и характеристики преобразователей
9.2.
Соотношения электромеханического преобразования
9.3.
Цилиндрические пьезокерамические преобразователи
9.4.
Пластинчатые и сферические пьезокерамические преобразователи
9.5.
Основные требования, предъявляемые к проектируемым преобразователям
9.6.
Выбор способа преобразования энергии и формы колебаний
9.7.
Некоторые конструкции преобразователей
Литература к главе 9
Глава 10
Преобразователи для неразрушающего контроля
10.1.
Конструкции и основные характеристики пьезопреобразователей ультразвуковой контрольно-измерительной аппаратуры
10.2.
Резонансные объемные пьезопреобразователи
10.3.
Нерезонансное возбуждение пьезоэлементов
Литература к главе 10
Глава 11
Датчики тонов Короткова
11.1.
Общие сведения
11.2.
Повышение чувствительности ДТК
11.3.
Об оптимальном сопротивлении нагрузки пьезоэлементов ДТК
11.4.
Обратная связь в датчиках тонов Короткова
11.5.
Помехи при измерении артериального давления
11.6.
Датчики пульсовой волны
Литература к главе 11
Глава 12
Электроакустические преобразователи
12.1.
Общие сведения
12.2.
Расчет передаточной функции электроакустического преобразователя
12.3.
Фигуры Хладни и диаграммы направленности преобразователей
12.4.
Методы улучшения характеристик электроакустических преобразователей
12.5.
Электроакустические преобразователи в схемах автогенераторов
Литература к главе 12
Глава 13
Пьезокерамические акселерометры
13.1.
Монолитные акселерометры
13.2.
Многоэлементные акселерометры
13.3.
Конструкции акселерометров
13.4.
Трехкоординатные акселерометры
13.5.
Акселерометры на основе биморфных и триморфных пьезоэлектрических чувствительных элементов
13.6.
Доменно-диссипативные акселерометры и акселерометры с обратной связью
Литература к главе 13
Глава 14
Резонансные пьезоэлектрические преобразователи
14.1.
Резонансные контактные преобразователи
14.2.
Измерение контактной жесткости и фактической площади контакта
14.3.
Применение частотно-модулированных колебаний для возбуждения резонансных пьезопреобразователей
14.4.
Отрицательная обратная связь в резонансных пьезопреобразователях
14.5.
Преобразователи с ультразвуковыми концентраторами
14.6.
Конструктивные методы управления характеристиками преобразователей усилий и давления
14.7.
Пьезорезонансные акселерометры
14.8.
Преобразователи на акустически связанных резонаторах
Литература к главе 14
Глава 15
Пьезоэлектрические вискозиметры
15.1.
Классификация вискозиметров
15.2.
Пьезокерамические вискозиметры
Литература к главе 15
Приложение А. Перечень патентов
Сведения об авторах
Сведения об авторах
ШАРАПОВ ВАЛЕРИЙ МИХАЙЛОВИЧ,
д.т.н., профессор, заслуженный деятель науки
и техники Украины
заведующий кафедрой компьютеризированных и информационных технологий в приборостроении Черкасского государственного технологического университета
v_sharapov@rambler.ru
Окончил филиал Московского инженерно-физического института (МИФИ). Автор около 600 научных работ, в том числе 9 монографий и учебных пособий, более 300 патентов на изобретения.
МУСИЕНКО МАКСИМ ПАВЛОВИЧ,
к.т.н., доцент
Окончил Черкасский государственный технологический университет в 1998 году по специальности “Радиотехника”. В 2001 г. защитил кандидатскую диссертацию. Автор более 350 научных работ, в том числе 3 монографий и учебного пособия, более 150 патентов
ШАРАПОВА ЕЛЕНА ВАЛЕРИЕВНА, Ph.D.
Окончила Черкасский национальный университет им. Б.Хмельницкого в 1993 г., Ph.D. Автор более 150 научных работ, в том числе 3 монографии, около 80 патентов. Нью-Йорк, США.
3.4. ДОМЕННО-ДИССИПАТИВНЫЕ
ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Изменение характеристик пьезопреобразователя происходит не только при углах между вектором поляризации P и векторами силы F и напряженности электрического поля E, равных 90º, но и при меньших углах.
Этот эффект может быть использован в двух типах преобразователей: в преобразователях механических величин на прямом пьезоэффекте и преобра-зователях электрического напряжения одного уровня в напряжение другого уровня – пьезотрансформаторах.
Характеристики предложенных преобразователей были изучены экспери-ментально [50].
При этом ставились две задачи:
1. Для пьезотрансформатора установить, как влияет угол между вектором напряженности EВОЗБ электрического возбуждающего напряжения, а так же вектором электрического поля выходного напряжения EВЫХ пьезотранс-форматора и вектором поляризации P на активное сопротивление, а также на амплитудно-частотную характеристику.
2. Для пьезоэлектрического преобразователя механических величин (в част-ности, преобразователя звукового давления, изготовленного на основе асиммет-ричного биморфного элемента) установить влияние угла между вектором на-пряженности электрического поля выходного напряжения и вектором поляриза-ции P на величину активного сопротивления и АЧХ преобразователя.
Пьезотрансформатор был изготовлен из бруска из пьезокерамики ЦТС-19 с размерами 9х10х90 мм, поляризованным так, как это показано на рис. 3.10. Пьезокерамический трансформатор
Электроды нанесены на грани пьезоэлемента размером 10х90 мм и со-ставляют пары (секции) 1–1/, 2–2/, … 6–6/. Кроме того, электроды нанесены на торцевые поверхности (7–7/) и боковые грани (8–8΄).
Размеры электродов на гранях 10х90 мм (1–1/, …… 6–6/) – 10х10 мм, на боковых гранях (8–8/) – 8х10 мм, на торцах (7–7/) – 8х9 мм.
Схемы подключения пьезотрансформаторов показаны на рис. 3.11.
. 3.11. Схемы пьезокерамических трансформаторов
Результаты измерений приведены в табл. 3.2, а также на рис. 3.12.
Таблица 3.2
1-1/ 2-1/ 3-1/ 4-1/ 5-1/ 6-1/ 7-7/ 8-8/
R, кОм 44 62 106 139 182 284 347 213
С, пФ 248 177 112 82 64 59 42 61
, º 0 56,3 71,6 77,5 80,5 82,4 90 90
Из табл. 3.2 следует, что с приближением угла к 90º (секции 7–7/ и 8–8/) ак-тивное сопротивление на резонансной частоте растет и в несколько раз пре-вышает эту величину для угла = 0 (секция 1–1/). При этом электрическая ем-кость между соответствующими электродами уменьшается.
Рис. 3.12. АЧХ пьезокерамических трансформаторов,
изображенных на рис. 3.11
Активное сопротивление между электродами измерялось на резонансной частоте (17 кГц) по схеме, изображенной на рис. 3.13.
Рис. 3.13. Схема измерения активного сопротивления:
1 – образец; 2 – генератор Г3-109; 3 – милливольтметр В3-38
Сопротивление R подбиралось экспериментально и составляло менее 0,1 от собственного сопротивления между электродами (1-1/).
Далее определялись АЧХ пьезотрансформатора для двух случаев. В пер-вом случае образец возбуждался от генератора через электроды (1-1/), а вы-ходное напряжение снималось так, как это показано на рис. 3.11 (а - д). АЧХ для этого случая показаны на рис. 3.12.
Во втором случае выходное напряжение снималось с электродов 6-6/, а генератор подключался так, как это показано на рис. 3.14. Результаты измере-ний для этого случая показаны на рис. 3.15.
Рис. 3.14. Схемы пьезокерамических трансформаторов и их АЧХ
Рис. 3.15. АЧХ пьезокерамических трансформаторов, изображенных на рис. 3.13
Как видно из рис. 3.11 и рис. 3.14 АЧХ пьезотрансформаторов стала прак-тически линейной.
Другие конструкции доменно-диссипативных пьезотрансформаторов по-казаны на рис. 3.16–3.18 [16-18, 20-22, 34].
В предложенных конструкциях выходная (рис. 3.16,а,), входная (рис. 3.16,б) или обе системы электродов (рис. 3.16,в) расположены на гранях параллельно век-тору поляризации P. В этом случае вектор напряженности поля входного и/или выходного напряжения будет перпендикулярен вектору P, что соответствует схе-ме доменно-диссипативного преобразователя. Благодаря такому расположению электродов удается расширить рабочий диапазон частот пьезотрансформатора.
Рис. 3.16. Доменно-диссипативные пьезотрансформаторы
Другой вариант исполнения доменно-диссипативных пьезотрансформаторов заключается в смещении одного из входных или выходных электродов (рис. 3.17). В этом случае между вектором поляризации и вектором напряженности поля входного (рис. 3.17,а) или выходного (рис. 3.17,б) напряжения образуется угол , причем 0 900, что также приводит к линеаризации АЧХ преобразователя.
Линеаризация АЧХ пьезотрансформаторов достигается также при распо-ложении выходной (рис. 3.18,а) или входной (рис. 3.18,б) системы электродов на торцах пьезоэлемента. Вектор напряженности поля входного или выходно-го напряжения будет перпендикулярен вектору поляризации.
Для проведения экспериментальных исследований преобразователей были изготовлены пьезотрансформаторы на основе пьезоэлемента 50-10-10 мм из пьезокерамики ЦТС-19 с электродами 2510 мм (для преобразователей по рис. 3.16) и с электродами 1010 мм (для преобразователей по рис. 3.17 и 3.18).
Измерения проведены на измерителе амплитудно-частотных характери-стик Х1-46. Как показали эксперименты, АЧХ преобразователей линейна в диапазоне частот от 10 Гц до 70 кГц. Для традиционных пьезотрансформато-ров (когда вектор поляризации параллелен векторам напряженностей полей входных и выходных напряжений) существовал резонанс на частоте 36 кГц.
Рис. 3.17. Доменно-диссипативные пьезотрансформаторы
Рис. 3.18. Доменно-диссипативные пьезотрансформаторы
Таким образом, построение пьезотрансформаторов по схеме доменно-диссипативных преобразователей удается достичь расширения рабочего диа-пазона частот.
Для повышения уровня выходного сигнала пьезотрансформаторов пред-ложено использовать дополнительную (третью) систему электродов (рис. 3.19) [35-40]. Дополнительные электроды располагают на гранях, вза-имно перпендикулярных к граням, на которых находятся входные и выход-ные электроды и соединяют между собой. В преобразователях, изображен-ных на рис. 3.19,в,г,е дополнительные электроды соединяют также с выходом пьезотрансформатора.
Рис. 3.19. Доменно-диссипативные пьезотрансформаторы
Значения уровней выходного напряжения в диапазоне от 50 Гц до 70 кГц для пьезотрансформаторов с двумя (по рис. 3.18) и тремя системами электро-дов (рис.3.19) приведены в табл. 3.3.
Таблица 3.3
Пьезотрансформаторы
С двумя систе-мами электродов (по рис. 3.18) С тремя системами электродов (по рис. 3.19)
а б в г д е
UВЫХ, мВ 75 93 98 102 105 95 103
Как видно из табл. 3.3, использование дополнительной системы электро-дов позволило увеличить уровень выходного сигнала на 24-40 %.
Далее были исследованы преобразователи механических величин, в част-ности, преобразователь акустического давления.
Для исследований использовался биморфный преобразователь, состоящий из пьезоэлемента из пьезокерамики ЦТС-19 диаметром 30 и толщиной 0,3 мм и пластины из стеклотекстолита 37 и толщиной 0,5 мм, склеенных между собой эпоксидным компаундом на основе эпоксидной смолы ЭД-20 (рис. 3.20) [24].
Рис. 3.20. Биморфный пьезопреобразователь:
ПЭ - пьезоэлемент, ДП - диэлектрическая пластина
Каждый электрод на пьезоэлементе делился на два полудиска, таким об-разом, на пьезоэлементе находилось 4 электрода в виде полудисков, причем каждый электрод на нижней торцевой поверхности представлял собой проек-цию электрода на верхней торцевой поверхности.
Были измерены сопротивления и емкости между электродами
(1-1/), (1-2/) и (1-2). Результаты приведены в табл. 3.4.
Таблица 3.4
1-1/ 1-2/ 1-2
, º 0 82,3 90
R, кОм 6,3 169 172
С, пФ 3210 107 109
Из таблицы следует, что с приближением угла к 900 (электроды 1–2/ и
1–2) активное сопротивление на резонансной частоте растет и в несколько раз превышает эту величину для угла = 0 (электроды 1–1/). При этом электриче-ская емкость между соответствующими электродами уменьшается.
Преобразователь устанавливался на акустическую камеру, которая созда-вала звуковое давление 10 Па (114 дБ) в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц.
Измерялась АЧХ преобразователя при подключении милливольтметра к электродам (1-1/), (1-2/) и (1-2). Результаты приведены на рис. 3.21.
Рис. 3.21. АЧХ биморфного пьезопреобразователя
Подключение электродов (1-1/) соответствует известному преобразовате-лю, который представляет собой колебательную систему с высокой добротно-стью. Как видно из рис. 3.21, для традиционного преобразователя характерно наличие ярко выраженного пиков на амплитудно-частотной характеристике.
При подключении к электродам (1-2/) получаем схему доменно-диссипативного преобразователя с углом между вектором поляризации и векто-ром напряженности поля выходного сигнала, равным 820. Как видно из табл. 3.4 и рис. 3.21, активное сопротивление преобразователя растет, емкость – уменьшается, при этом колебательное звено вырождается в апериодическую цепь.
Наконец, при подключении к электродам (1-2) получаем схему доменно-диссипативного преобразователя с углом = 900. Это дифференцирующее инерционное звено. АЧХ такого преобразователя практически линейная, а чувствительность – выросла.
Таким образом, как и для пьезотрансформатора, удалось получить прак-тически линейную амплитудно-частотную характеристику.
Здесь, кстати, своевременно будет отметить, что отмечаемое в [4, 6] из-менение характеристик пьезопреобразователей благодаря так называемым «неоднородным электрическим полям» требует уточнения.
Проведем дополнительный эксперимент. Для этого на пьезоэлементе в виде прямоугольного параллелепипеда размерами 50х10х10 мм нанесем элек-троды так, как это показано на рис. 3.22.
Преобразователь на рис. 3.22,а является традиционным пьезоэлементом со свойствами колебательного звена. Электроды на рис.3.22,б согласно [4, 6] создают неоднородное электрическое поле.
Однако как показали эксперименты, этот преобразователь принципиально не отличается от преобразователя по рис. 3.22,а, т.е., так называемое «неоднородное электрическое поле» не приводит к каким-либо существенным изменениям.
Рис. 3.22. Пьезопреобразователи
Преобразователь, изображенный на рис. 3.22,в имеет однородное элек-трическое поле, однако его характеристики принципиально отличаются от преобразователей, изображенных на рис. 3.22,а,б.
Другие варианты схем доменно-диссипативных преобразователей показа-ны на рис. 3.23 и 3.24 [23, 25].
Рис. 3.23. Схема доменно-диссипативного пьезокерамического преобразователя
Доменно-диссипативный пьезоппреобразователь, показанный на рис. 3.23, содержит асимметричный биморфный пьезоэлемент, состоящий из металлической пластины Ме и дискового пьезоэлемента ПЭ, поляризованного по толщине, причем между металлической пластиной и пьезоэлементом раз-мещен диэлектрик ДЭ [25]. Благодаря такому расположению диэлектрика, ме-таллическая пластина не выполняет роль электрода на второй торцевой по-верхности пьезоэлемента. В результате этого, вектор напряженности электри-ческого поля выходного сигнала создает с вектором поляризует P угол , при-чем 0 900, что приводит к увеличению собственного сопротивления пьезоэлемента преобразователя и линеаризации АЧХ преобразователя.
Рис. 3.24. Схема доменно-диссипативного пьезокерамического преобразователя
Для экспериментальных исследований было изготовлено два преобразо-вателя. Первый пьезокерамический преобразователь содержал металлическую пластину из полутвердой латуни Л63, диаметром 36 мм и толщиной 0,3 мм, и дисковый пьезоэлемент диаметром 30 и толщиной 0,3 мм из пьезокерамики ЦТС-19 с электродами в виде диска диаметром 15 мм и кольца с внутренним диаметром 17 и внешним – 30 мм. Между металлической пластиной и пьезо-элементом была расположена диэлектрическая (стеклотекстолитовая) пласти-на диаметром 30 и толщиной 0,3 мм. Дисковый электрод подключен ко входу согласующего усилителя напряжения, а кольцевой электрод с металлической пластиной – к общему проводу схемы. Согласующий усилитель на микросхеме К140УД8, входное сопротивление 1,8 МОм.
Второй преобразователь отличался отсутствием диэлектрической пласти-ны, что соответствовало традиционной схеме преобразователя.
Пьезопреобразователи подвергались воздействию акустического давления 10 Па, создаваемого акустической камерой в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц.
К выходу подключался цифровой вольтметр В7-38. Как показали эксперимен-ты, АЧХ доменно-диссипативного пьезопреобразователя линейна во всем ис-следуемом диапазоне. Преобразователь по традиционной схеме имел резонанс на частоте 4,8 кГц, что ограничивало рабочий диапазон частот примерно
до 3 кГц.
Отличие пьезопреобразователя, изображенного на рис. 3.24, заключается в исполнение отверстия в металлической пластине. Это отверстие располо-женный соосно с электродами пьезоэлемента, причем диаметр отверстия dотв больше диаметра дискового электрода пьезоэлемента dд, то есть dотв dд [23]. Это приводит к тому, что вектор напряженности электрического поля выход-ного сигнала также создает с вектором поляризует Р угол , причем
0 900. В результате этого АЧХ пьезопреобразователя выравнивается, а следовательно, расширяется рабочий диапазон частот.
Для экспериментальных исследований, как и в предыдущем случае, было изготовлено два преобразователя. Первый пьезокерамический преобразователь содержал металлическую пластину из полутвердой латуни Л63, диаметром 36 мм и толщиной 0,3 мм, с отверстием в центре диаметром 16 мм и дисковый пьезоэлемент диаметром 30 и толщиной 0,3мм из пьезокерамики ЦТС-19 с электродами в виде диска диаметром 14 мм и кольца с внутренним диаметром 17 и внешним – 30 мм. Дисковый электрод подключен ко входу согласующего усилителя напряжения, а кольцевой электрод с металлической пластиной – к общему проводу схемы. Согласующий усилитель на микросхеме К140УД8, входное сопротивление 1,8 МОм.
Второй преобразователь отличался отсутствием отверстия в металличе-ской пластине, что соответствовало традиционной схеме преобразователя.
Пьезопреобразователи подвергались воздействию акустического давления 10 Па, создаваемого акустической камерой в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. К вы-ходу подключался цифровой вольтметр В7-38. Как показали эксперименты, АЧХ доменно-диссипативного пьезопреобразователя линейна во всем исследуемом диапазоне. Преобразователь по традиционной схеме имел резонанс на частоте 4,5 кГц, что ограничивало рабочий диапазон частот примерно до 2,8 кГц.
Итак, располагая электроды на пьезоэлементе таким образом, чтобы век-тор поля возбуждения или поля выходного сигнала создавал угол с вектором поляризации (в пределах до 90º), можно достичь расширения рабочего диапа-зона частот пьезоэлектрических преобразователей.
3.5. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ДОМЕННО-ДИССИПАТИВНЫХ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Для исследований использовался биморфный преобразователь, состоя-щий из пьезоэлемента из пьезокерамики ЦТС-19 диаметром 30 и толщиной 0,3 мм и пластины из стеклотекстолита 37 и толщиной 0,5 мм, склеенных между собой эпоксидным компаундом на основе эпоксидной смолы ЭД-20. Электроды на каждом торце пьезоэлемента были выполнены в виде диска и кольца [55, 56].
Определялась чувствительность преобразователя по звуковому давле-нию S (мВ/Па) на акустической камере ПР5151 на фиксированной частоте (100 Гц) при звуковом давлении 10 Па (114 дБ), а также активное сопротив-ление на резонансной частоте (9,5 кГц) и емкость между выходными элек-тродами.
Определялась также амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) преоб-разователя с помощью измерителя АЧХ типа Х1-46, а также переходная и им-пульсная характеристика с помощью генератора импульсов Г5-67, осцилло-графа С1-55 и милливольтметра В7-38 для различных схем подключения пье-зопреобразователя.
Результаты измерений приведены на рис. 3.25 – 3.27 и в табл. 3.5. Для оп-ределения АЧХ, переходных и импульсных характеристик использовался пье-зотрансформаторный режим.
Схема, изображенная на рис. 3.25,а, соответствует известному преобразо-вателю, который представляет собой колебательную систему с ярко выражен-ным резонансом и высокой добротностью.
Таблица 3.5
Схема Чувствительность
на частоте f = 1 кГц, мВ / Па Сопротивление,
кОм Емкость,
пФ
Рис. 3.25 0 2,2 5,1 2970
Рис. 3.26 82 12 144 230
Рис. 3.27 90 18 183 220б)
а)
в)
г)
Рис. 3.25. Схемы измерения (а), амплитудно-частотная (б), импульсная (в)
и переходная (г) характеристики
Преобразователь по схеме на рис. 3.26, а – это доменно-диссипативный преобразователь с углом между вектором поляризации, равным 82º.
Как видно из табл. 3.5 и рис. 3.26, активное сопротивление преобразователя растет, емкость – уменьшается, при этом колебательное звено вырождает-ся в апериодическую цепь с дифференцирующими свойствами.
б)
в)
г)
Рис. 3.26. Схемы измерения (а), амплитудно-частотная (б), импульсная (в)
и переходная (г) характеристики
Наконец, на рис. 3.27, а изображен доменно-диссипативный преобразова-тель с углом = 90º. Это типичное дифференцирующее звено. АЧХ такого преобразователя практически линейная, а чувствительность – выросла.
б)
Рис. 3.27. Схемы измерения (а)
и амплитудно-частотная характеристика (б)
в)
г)
Рис. 3.27. Импульсная (в) и переходная (г) характеристики
Таким образом:
1. Появление новых свойств в доменно-диссипативном преобразователе обя-зано анизотропии поляризованной пьезокерамики, которая может быть описана на основе эффекта Яна-Теллера.
2. При увеличении угла между вектором поляризации и вектором напря-женности электрического поля выходного сигнала происходит вырождение колебательных свойств преобразователя в апериодическую дифференцирующую цепь, при этом увеличивается чувствительность и расширяется рабочий диапазон частот.
ШАРАПОВ ВАЛЕРИЙ МИХАЙЛОВИЧ,
д.т.н., профессор, заслуженный деятель науки
и техники Украины
заведующий кафедрой компьютеризированных и информационных технологий в приборостроении Черкасского государственного технологического университета
v_sharapov@rambler.ru
Окончил филиал Московского инженерно-физического института (МИФИ). Автор около 600 научных работ, в том числе 9 монографий и учебных пособий, более 300 патентов на изобретения.
МУСИЕНКО МАКСИМ ПАВЛОВИЧ,
к.т.н., доцент
Окончил Черкасский государственный технологический университет в 1998 году по специальности “Радиотехника”. В 2001 г. защитил кандидатскую диссертацию. Автор более 350 научных работ, в том числе 3 монографий и учебного пособия, более 150 патентов
ШАРАПОВА ЕЛЕНА ВАЛЕРИЕВНА, Ph.D.
Окончила Черкасский национальный университет им. Б.Хмельницкого в 1993 г., Ph.D. Автор более 150 научных работ, в том числе 3 монографии, около 80 патентов. Нью-Йорк, США.
3.4. ДОМЕННО-ДИССИПАТИВНЫЕ
ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Изменение характеристик пьезопреобразователя происходит не только при углах между вектором поляризации P и векторами силы F и напряженности электрического поля E, равных 90º, но и при меньших углах.
Этот эффект может быть использован в двух типах преобразователей: в преобразователях механических величин на прямом пьезоэффекте и преобра-зователях электрического напряжения одного уровня в напряжение другого уровня – пьезотрансформаторах.
Характеристики предложенных преобразователей были изучены экспери-ментально [50].
При этом ставились две задачи:
1. Для пьезотрансформатора установить, как влияет угол между вектором напряженности EВОЗБ электрического возбуждающего напряжения, а так же вектором электрического поля выходного напряжения EВЫХ пьезотранс-форматора и вектором поляризации P на активное сопротивление, а также на амплитудно-частотную характеристику.
2. Для пьезоэлектрического преобразователя механических величин (в част-ности, преобразователя звукового давления, изготовленного на основе асиммет-ричного биморфного элемента) установить влияние угла между вектором на-пряженности электрического поля выходного напряжения и вектором поляриза-ции P на величину активного сопротивления и АЧХ преобразователя.
Пьезотрансформатор был изготовлен из бруска из пьезокерамики ЦТС-19 с размерами 9х10х90 мм, поляризованным так, как это показано на рис. 3.10. Пьезокерамический трансформатор
Электроды нанесены на грани пьезоэлемента размером 10х90 мм и со-ставляют пары (секции) 1–1/, 2–2/, … 6–6/. Кроме того, электроды нанесены на торцевые поверхности (7–7/) и боковые грани (8–8΄).
Размеры электродов на гранях 10х90 мм (1–1/, …… 6–6/) – 10х10 мм, на боковых гранях (8–8/) – 8х10 мм, на торцах (7–7/) – 8х9 мм.
Схемы подключения пьезотрансформаторов показаны на рис. 3.11.
. 3.11. Схемы пьезокерамических трансформаторов
Результаты измерений приведены в табл. 3.2, а также на рис. 3.12.
Таблица 3.2
1-1/ 2-1/ 3-1/ 4-1/ 5-1/ 6-1/ 7-7/ 8-8/
R, кОм 44 62 106 139 182 284 347 213
С, пФ 248 177 112 82 64 59 42 61
, º 0 56,3 71,6 77,5 80,5 82,4 90 90
Из табл. 3.2 следует, что с приближением угла к 90º (секции 7–7/ и 8–8/) ак-тивное сопротивление на резонансной частоте растет и в несколько раз пре-вышает эту величину для угла = 0 (секция 1–1/). При этом электрическая ем-кость между соответствующими электродами уменьшается.
Рис. 3.12. АЧХ пьезокерамических трансформаторов,
изображенных на рис. 3.11
Активное сопротивление между электродами измерялось на резонансной частоте (17 кГц) по схеме, изображенной на рис. 3.13.
Рис. 3.13. Схема измерения активного сопротивления:
1 – образец; 2 – генератор Г3-109; 3 – милливольтметр В3-38
Сопротивление R подбиралось экспериментально и составляло менее 0,1 от собственного сопротивления между электродами (1-1/).
Далее определялись АЧХ пьезотрансформатора для двух случаев. В пер-вом случае образец возбуждался от генератора через электроды (1-1/), а вы-ходное напряжение снималось так, как это показано на рис. 3.11 (а - д). АЧХ для этого случая показаны на рис. 3.12.
Во втором случае выходное напряжение снималось с электродов 6-6/, а генератор подключался так, как это показано на рис. 3.14. Результаты измере-ний для этого случая показаны на рис. 3.15.
Рис. 3.14. Схемы пьезокерамических трансформаторов и их АЧХ
Рис. 3.15. АЧХ пьезокерамических трансформаторов, изображенных на рис. 3.13
Как видно из рис. 3.11 и рис. 3.14 АЧХ пьезотрансформаторов стала прак-тически линейной.
Другие конструкции доменно-диссипативных пьезотрансформаторов по-казаны на рис. 3.16–3.18 [16-18, 20-22, 34].
В предложенных конструкциях выходная (рис. 3.16,а,), входная (рис. 3.16,б) или обе системы электродов (рис. 3.16,в) расположены на гранях параллельно век-тору поляризации P. В этом случае вектор напряженности поля входного и/или выходного напряжения будет перпендикулярен вектору P, что соответствует схе-ме доменно-диссипативного преобразователя. Благодаря такому расположению электродов удается расширить рабочий диапазон частот пьезотрансформатора.
Рис. 3.16. Доменно-диссипативные пьезотрансформаторы
Другой вариант исполнения доменно-диссипативных пьезотрансформаторов заключается в смещении одного из входных или выходных электродов (рис. 3.17). В этом случае между вектором поляризации и вектором напряженности поля входного (рис. 3.17,а) или выходного (рис. 3.17,б) напряжения образуется угол , причем 0 900, что также приводит к линеаризации АЧХ преобразователя.
Линеаризация АЧХ пьезотрансформаторов достигается также при распо-ложении выходной (рис. 3.18,а) или входной (рис. 3.18,б) системы электродов на торцах пьезоэлемента. Вектор напряженности поля входного или выходно-го напряжения будет перпендикулярен вектору поляризации.
Для проведения экспериментальных исследований преобразователей были изготовлены пьезотрансформаторы на основе пьезоэлемента 50-10-10 мм из пьезокерамики ЦТС-19 с электродами 2510 мм (для преобразователей по рис. 3.16) и с электродами 1010 мм (для преобразователей по рис. 3.17 и 3.18).
Измерения проведены на измерителе амплитудно-частотных характери-стик Х1-46. Как показали эксперименты, АЧХ преобразователей линейна в диапазоне частот от 10 Гц до 70 кГц. Для традиционных пьезотрансформато-ров (когда вектор поляризации параллелен векторам напряженностей полей входных и выходных напряжений) существовал резонанс на частоте 36 кГц.
Рис. 3.17. Доменно-диссипативные пьезотрансформаторы
Рис. 3.18. Доменно-диссипативные пьезотрансформаторы
Таким образом, построение пьезотрансформаторов по схеме доменно-диссипативных преобразователей удается достичь расширения рабочего диа-пазона частот.
Для повышения уровня выходного сигнала пьезотрансформаторов пред-ложено использовать дополнительную (третью) систему электродов (рис. 3.19) [35-40]. Дополнительные электроды располагают на гранях, вза-имно перпендикулярных к граням, на которых находятся входные и выход-ные электроды и соединяют между собой. В преобразователях, изображен-ных на рис. 3.19,в,г,е дополнительные электроды соединяют также с выходом пьезотрансформатора.
Рис. 3.19. Доменно-диссипативные пьезотрансформаторы
Значения уровней выходного напряжения в диапазоне от 50 Гц до 70 кГц для пьезотрансформаторов с двумя (по рис. 3.18) и тремя системами электро-дов (рис.3.19) приведены в табл. 3.3.
Таблица 3.3
Пьезотрансформаторы
С двумя систе-мами электродов (по рис. 3.18) С тремя системами электродов (по рис. 3.19)
а б в г д е
UВЫХ, мВ 75 93 98 102 105 95 103
Как видно из табл. 3.3, использование дополнительной системы электро-дов позволило увеличить уровень выходного сигнала на 24-40 %.
Далее были исследованы преобразователи механических величин, в част-ности, преобразователь акустического давления.
Для исследований использовался биморфный преобразователь, состоящий из пьезоэлемента из пьезокерамики ЦТС-19 диаметром 30 и толщиной 0,3 мм и пластины из стеклотекстолита 37 и толщиной 0,5 мм, склеенных между собой эпоксидным компаундом на основе эпоксидной смолы ЭД-20 (рис. 3.20) [24].
Рис. 3.20. Биморфный пьезопреобразователь:
ПЭ - пьезоэлемент, ДП - диэлектрическая пластина
Каждый электрод на пьезоэлементе делился на два полудиска, таким об-разом, на пьезоэлементе находилось 4 электрода в виде полудисков, причем каждый электрод на нижней торцевой поверхности представлял собой проек-цию электрода на верхней торцевой поверхности.
Были измерены сопротивления и емкости между электродами
(1-1/), (1-2/) и (1-2). Результаты приведены в табл. 3.4.
Таблица 3.4
1-1/ 1-2/ 1-2
, º 0 82,3 90
R, кОм 6,3 169 172
С, пФ 3210 107 109
Из таблицы следует, что с приближением угла к 900 (электроды 1–2/ и
1–2) активное сопротивление на резонансной частоте растет и в несколько раз превышает эту величину для угла = 0 (электроды 1–1/). При этом электриче-ская емкость между соответствующими электродами уменьшается.
Преобразователь устанавливался на акустическую камеру, которая созда-вала звуковое давление 10 Па (114 дБ) в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц.
Измерялась АЧХ преобразователя при подключении милливольтметра к электродам (1-1/), (1-2/) и (1-2). Результаты приведены на рис. 3.21.
Рис. 3.21. АЧХ биморфного пьезопреобразователя
Подключение электродов (1-1/) соответствует известному преобразовате-лю, который представляет собой колебательную систему с высокой добротно-стью. Как видно из рис. 3.21, для традиционного преобразователя характерно наличие ярко выраженного пиков на амплитудно-частотной характеристике.
При подключении к электродам (1-2/) получаем схему доменно-диссипативного преобразователя с углом между вектором поляризации и векто-ром напряженности поля выходного сигнала, равным 820. Как видно из табл. 3.4 и рис. 3.21, активное сопротивление преобразователя растет, емкость – уменьшается, при этом колебательное звено вырождается в апериодическую цепь.
Наконец, при подключении к электродам (1-2) получаем схему доменно-диссипативного преобразователя с углом = 900. Это дифференцирующее инерционное звено. АЧХ такого преобразователя практически линейная, а чувствительность – выросла.
Таким образом, как и для пьезотрансформатора, удалось получить прак-тически линейную амплитудно-частотную характеристику.
Здесь, кстати, своевременно будет отметить, что отмечаемое в [4, 6] из-менение характеристик пьезопреобразователей благодаря так называемым «неоднородным электрическим полям» требует уточнения.
Проведем дополнительный эксперимент. Для этого на пьезоэлементе в виде прямоугольного параллелепипеда размерами 50х10х10 мм нанесем элек-троды так, как это показано на рис. 3.22.
Преобразователь на рис. 3.22,а является традиционным пьезоэлементом со свойствами колебательного звена. Электроды на рис.3.22,б согласно [4, 6] создают неоднородное электрическое поле.
Однако как показали эксперименты, этот преобразователь принципиально не отличается от преобразователя по рис. 3.22,а, т.е., так называемое «неоднородное электрическое поле» не приводит к каким-либо существенным изменениям.
Рис. 3.22. Пьезопреобразователи
Преобразователь, изображенный на рис. 3.22,в имеет однородное элек-трическое поле, однако его характеристики принципиально отличаются от преобразователей, изображенных на рис. 3.22,а,б.
Другие варианты схем доменно-диссипативных преобразователей показа-ны на рис. 3.23 и 3.24 [23, 25].
Рис. 3.23. Схема доменно-диссипативного пьезокерамического преобразователя
Доменно-диссипативный пьезоппреобразователь, показанный на рис. 3.23, содержит асимметричный биморфный пьезоэлемент, состоящий из металлической пластины Ме и дискового пьезоэлемента ПЭ, поляризованного по толщине, причем между металлической пластиной и пьезоэлементом раз-мещен диэлектрик ДЭ [25]. Благодаря такому расположению диэлектрика, ме-таллическая пластина не выполняет роль электрода на второй торцевой по-верхности пьезоэлемента. В результате этого, вектор напряженности электри-ческого поля выходного сигнала создает с вектором поляризует P угол , при-чем 0 900, что приводит к увеличению собственного сопротивления пьезоэлемента преобразователя и линеаризации АЧХ преобразователя.
Рис. 3.24. Схема доменно-диссипативного пьезокерамического преобразователя
Для экспериментальных исследований было изготовлено два преобразо-вателя. Первый пьезокерамический преобразователь содержал металлическую пластину из полутвердой латуни Л63, диаметром 36 мм и толщиной 0,3 мм, и дисковый пьезоэлемент диаметром 30 и толщиной 0,3 мм из пьезокерамики ЦТС-19 с электродами в виде диска диаметром 15 мм и кольца с внутренним диаметром 17 и внешним – 30 мм. Между металлической пластиной и пьезо-элементом была расположена диэлектрическая (стеклотекстолитовая) пласти-на диаметром 30 и толщиной 0,3 мм. Дисковый электрод подключен ко входу согласующего усилителя напряжения, а кольцевой электрод с металлической пластиной – к общему проводу схемы. Согласующий усилитель на микросхеме К140УД8, входное сопротивление 1,8 МОм.
Второй преобразователь отличался отсутствием диэлектрической пласти-ны, что соответствовало традиционной схеме преобразователя.
Пьезопреобразователи подвергались воздействию акустического давления 10 Па, создаваемого акустической камерой в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц.
К выходу подключался цифровой вольтметр В7-38. Как показали эксперимен-ты, АЧХ доменно-диссипативного пьезопреобразователя линейна во всем ис-следуемом диапазоне. Преобразователь по традиционной схеме имел резонанс на частоте 4,8 кГц, что ограничивало рабочий диапазон частот примерно
до 3 кГц.
Отличие пьезопреобразователя, изображенного на рис. 3.24, заключается в исполнение отверстия в металлической пластине. Это отверстие располо-женный соосно с электродами пьезоэлемента, причем диаметр отверстия dотв больше диаметра дискового электрода пьезоэлемента dд, то есть dотв dд [23]. Это приводит к тому, что вектор напряженности электрического поля выход-ного сигнала также создает с вектором поляризует Р угол , причем
0 900. В результате этого АЧХ пьезопреобразователя выравнивается, а следовательно, расширяется рабочий диапазон частот.
Для экспериментальных исследований, как и в предыдущем случае, было изготовлено два преобразователя. Первый пьезокерамический преобразователь содержал металлическую пластину из полутвердой латуни Л63, диаметром 36 мм и толщиной 0,3 мм, с отверстием в центре диаметром 16 мм и дисковый пьезоэлемент диаметром 30 и толщиной 0,3мм из пьезокерамики ЦТС-19 с электродами в виде диска диаметром 14 мм и кольца с внутренним диаметром 17 и внешним – 30 мм. Дисковый электрод подключен ко входу согласующего усилителя напряжения, а кольцевой электрод с металлической пластиной – к общему проводу схемы. Согласующий усилитель на микросхеме К140УД8, входное сопротивление 1,8 МОм.
Второй преобразователь отличался отсутствием отверстия в металличе-ской пластине, что соответствовало традиционной схеме преобразователя.
Пьезопреобразователи подвергались воздействию акустического давления 10 Па, создаваемого акустической камерой в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. К вы-ходу подключался цифровой вольтметр В7-38. Как показали эксперименты, АЧХ доменно-диссипативного пьезопреобразователя линейна во всем исследуемом диапазоне. Преобразователь по традиционной схеме имел резонанс на частоте 4,5 кГц, что ограничивало рабочий диапазон частот примерно до 2,8 кГц.
Итак, располагая электроды на пьезоэлементе таким образом, чтобы век-тор поля возбуждения или поля выходного сигнала создавал угол с вектором поляризации (в пределах до 90º), можно достичь расширения рабочего диапа-зона частот пьезоэлектрических преобразователей.
3.5. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ДОМЕННО-ДИССИПАТИВНЫХ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Для исследований использовался биморфный преобразователь, состоя-щий из пьезоэлемента из пьезокерамики ЦТС-19 диаметром 30 и толщиной 0,3 мм и пластины из стеклотекстолита 37 и толщиной 0,5 мм, склеенных между собой эпоксидным компаундом на основе эпоксидной смолы ЭД-20. Электроды на каждом торце пьезоэлемента были выполнены в виде диска и кольца [55, 56].
Определялась чувствительность преобразователя по звуковому давле-нию S (мВ/Па) на акустической камере ПР5151 на фиксированной частоте (100 Гц) при звуковом давлении 10 Па (114 дБ), а также активное сопротив-ление на резонансной частоте (9,5 кГц) и емкость между выходными элек-тродами.
Определялась также амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) преоб-разователя с помощью измерителя АЧХ типа Х1-46, а также переходная и им-пульсная характеристика с помощью генератора импульсов Г5-67, осцилло-графа С1-55 и милливольтметра В7-38 для различных схем подключения пье-зопреобразователя.
Результаты измерений приведены на рис. 3.25 – 3.27 и в табл. 3.5. Для оп-ределения АЧХ, переходных и импульсных характеристик использовался пье-зотрансформаторный режим.
Схема, изображенная на рис. 3.25,а, соответствует известному преобразо-вателю, который представляет собой колебательную систему с ярко выражен-ным резонансом и высокой добротностью.
Таблица 3.5
Схема Чувствительность
на частоте f = 1 кГц, мВ / Па Сопротивление,
кОм Емкость,
пФ
Рис. 3.25 0 2,2 5,1 2970
Рис. 3.26 82 12 144 230
Рис. 3.27 90 18 183 220б)
а)
в)
г)
Рис. 3.25. Схемы измерения (а), амплитудно-частотная (б), импульсная (в)
и переходная (г) характеристики
Преобразователь по схеме на рис. 3.26, а – это доменно-диссипативный преобразователь с углом между вектором поляризации, равным 82º.
Как видно из табл. 3.5 и рис. 3.26, активное сопротивление преобразователя растет, емкость – уменьшается, при этом колебательное звено вырождает-ся в апериодическую цепь с дифференцирующими свойствами.
б)
в)
г)
Рис. 3.26. Схемы измерения (а), амплитудно-частотная (б), импульсная (в)
и переходная (г) характеристики
Наконец, на рис. 3.27, а изображен доменно-диссипативный преобразова-тель с углом = 90º. Это типичное дифференцирующее звено. АЧХ такого преобразователя практически линейная, а чувствительность – выросла.
б)
Рис. 3.27. Схемы измерения (а)
и амплитудно-частотная характеристика (б)
в)
г)
Рис. 3.27. Импульсная (в) и переходная (г) характеристики
Таким образом:
1. Появление новых свойств в доменно-диссипативном преобразователе обя-зано анизотропии поляризованной пьезокерамики, которая может быть описана на основе эффекта Яна-Теллера.
2. При увеличении угла между вектором поляризации и вектором напря-женности электрического поля выходного сигнала происходит вырождение колебательных свойств преобразователя в апериодическую дифференцирующую цепь, при этом увеличивается чувствительность и расширяется рабочий диапазон частот.