ЗАДАНИЕ
На лабораторную работу № 4
по дисциплине «Измерительные преобразователи»
Класс______________ Дата и время_____________________
Место проведения________________
Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Учебные цели:
1. Исследование устройства и принципа действия пьезоэлектрических преобразователей, а также экспериментальное исследование их основных метрологических характеристик.
2. Приобретение практических навыков в работе с измерительной аппаратурой и оценка полученных результатов.
Общие сведения
Пьезоэлектрическими называются преобразователи, которые используют свойства отдельных диэлектриков электризоваться под воздействием механических напряжений (прямой пъезоефект) и деформироваться в электрическом поле (обратный пьезоэффект).
Прямой пьезоэлектрический эффект. В кристаллических диэлектриках разнородно заряженные ионы размещаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Поскольку разноименные ионычередуются и расположенные так, что их заряды взаимно компенсируются, то в целом кристалл электрически нейтрален. Одной из особенностей кристаллов является их симметрия. Кристаллы могут быть симметричны относительно некоторой оси, плоскости или центра. В соответствии с видом симметрии по определенными законами построенная кристаллическая решетка и размещены ионы. Электрическая структура кристалла, симметричного относительно оси или плоскости, схематически показанная на рис. 2.1.
В направлении оси X ионы разных знаков чередуются и взаимно компенсируют свои заряды. Под влиянием на кристалл силы 
в направлении X кристаллическая решетка деформируется, расстояния между "+" и "-" ионами изменяются и кристалл электризуется в этом направлении. На его гранях, перпендикулярных осе X, появляется заряд
пропорциональный силе 
. Коэффициент d11, который зависит от вещества и его состояния, называется пьезоэлектрическим модулем. Индексы при коэффициенте d11 определяются ориентацией силы и грани, на которой появляется заряд, относительно кристаллических осей. При изменении ориентации пьезоэлектрический модуль также изменяется.
Электризация кристалла под воздействием внешних сил называется прямым пьезоэффектом. Вещества, которые имеют пьезоэффект, называются пьезоэлектриками. Для изготовления измерительных преобразователей наибольшее использование нашли природные кристаллы кварца и искусственные пьезоэлектрические материалы - пьезокерамики. Преобразователи, которые используют прямой пьезоэффект иногда называют преобразователями-генераторами, а обратный - преобразователями-двигателями. В первом случае преобразователь имеет механический вход и электрический выход, а во втором - наоборот. Прямой пьезоэффект используют в микрофонах, измерителях вибраций и ускорений, звукоснимателях и других, а обратный - в телефонах, громкоговорителях, ультразвуковых излучателях, реле. К пьезоелектрикам, которые наиболее используются, относятся: кварц, сегнетовая соль, турмалин, фосфат аммонию и титанат бария.
Кварц (SiО2). Призматическая часть кристалла кварца и расположение кристаллических осей показано на рис.2.1.Ось Х - электрическая, ось Y- механическая, ось Z - оптическая. Для использования в измерительных преобразователях из кристалла вырезается пластинка. Под влиянием на пластинку сил вдоль осей X или Y происходит поляризация кристалла. На гранях, перпендикулярных оси X, появляются заряды
где FXи Fy - соответствующие силы;
Qx и Qy - площади граней, перпендикулярных осям X или Y;
d11 =d12 - пьезоэлектрические модули.
Возникновение заряда под воздействием силы Fx называется продольным пьезоэффектом, возникновение заряда под воздействием Fy - поперечным пьезоэффектом. Действие силы Fz вдоль оси Z не вызывает никаких электрических зарядов. Остановимся более подробно на явлении возникновения зарядов.
Форма элементарной ячейки кристаллической структуры кварца показана на рис. 2.2.
Ячейка в целом электрически нейтральная, однако в ней можно выделить 3 вектора поляризации 
, 
, 
, которые ориентированы разнополярными ионами Si и О2 В этом случае равнодействующая вектора поляризации 
= + + = 0
Рассмотрим 3 случая действия силы F на срез кварца.
Случай 1. Сила Fx направленная вдоль оси X, тогда суммарный вектор поляризации ≠ 0 направлен вдоль оси X, поскольку при сжимании кристалла вдоль оси X происходит небольшой поворот векторов и , из-за чего ячейка принимает результативный электрический момент в направлении X. Знак вектора поляризации зависит от направления прилагаемой силы, и в зависимости от этого на гранях возникают поляризуемые заряды, знаки которых при сжимании показаны на рис. 2.3,а.
Возникновение зарядов, поляризуемых на гранях, перпендикулярных оси X, под воздействием силы Fx, называется продольным пьезоэффектом.
Случай 2. Под воздействием механических напряжений вдоль одной из осей Y геометрическая сумма векторов не равняется нулю + + ≠ 0
При сжимании (рис. 2.3,6) на нижней грани образуются положительные заряды, поскольку + ≠ , а на верхней - отрицательные. Рассмотренный эффект образования зарядов называется поперечным пьезоэффектом.
Из рассмотренных двух случаев вытекает, что когда нагрузить кристалл равномерно со всех сторон (например, путем гидростатического сжимания), тогда на гранях кристалла заряды образовываться не будут, то есть кристалл останется электрически нейтральным, потому что = 0.
Случай 3. Под воздействием механического напряжения смещения (рис. 2.3,в) = 
+ 
, то есть на гранях, которые перпендикулярные оси X, заряды не образуются, однако при этом ≠ 
что приводит к возникновению зарядов на гранях, перпендикулярных оси Х [4].
Кварцевая пластина имеет высокую прочность. Предельные напряжения могут достигать (0,7... 1,0) *108 н/м2, что позволяет прикладывать к ней большие измерительные силы. Она имеет большой модуль упругости, что определяет ее высокую жесткость и очень малое собственно внутреннее трение. Последнее обстоятельство определяет высокую добротность изготовленных из кварца пластинок. Кварцевые пластинки используются для изготовления преобразователей, которые измеряют давление и силу.
Кварц - материал с высокой прочностью, он тяжело обрабатывается и может использоваться для изготовления пластин только с простой формой.
Пьезоэлектрический модуль d практически постоянен к температуре 200 °С, а затем при увеличении температуры он ненамного уменьшается. Граница его рабочей температуры 500 °С. При температуре 573°С (температура Кюри) кварц теряет пьезоэлектрические свойства.
Относительная диэлектрическая проницаемость равняется 4, 5 и немного увеличивается при увеличении температуры. Удельное объемное сопротивление кварца превышает 1012 Ом.
Электрические и механические свойства кварца имеют высокую стабильность. За 10 лет изменение характеристик не превышает 0,05%.
Пьезоэлектрическая керамика.
Пьезокерамика имеет доменную структуру, причем домены поляризуемые. При отсутствии внешнего электрического поля поляризация отдельных доменов имеет хаотическое направление и на поверхности изготовленного из пьезокерамики тела электрический заряд отсутствует. В электрическом поле домены ориентируются в направлении этого поля, вещество поляризуется, и на поверхности тела появляются заряды. При снятии поля домены сохраняют свою ориентацию, вещество остается поляризуемым, однако поверхностный заряд со временем стекает. Если к телу, изготовленному с пьезокерамики, после обработки его в электрическом поле приложить механическую нагрузку, тогда под ее влиянием домены изменяют свою ориентацию и изменяется поляризация вещества. Изменение поляризации вызывает появление заряда на поверхности тела. Тело, изготовленное из поляризуемой керамики, под воздействием механической силы электризуется также как элементарные пьезоэлектрические монокристаллы.
Типичной пьезоэлектрической керамикой является титанат бария ВаТіОз. Его пьезоэлектрический модуль лежит в пределах d=(4.35..8,35) 10-11 К/Н, диэлектрическая проницаемость - в пределах εг = 1100..1800; тангенс угла потерь, который характеризует внутреннее удельное сопротивление, - в пределах tgδ = (0,3... 3)%.
Зависимость заряда, которая возникает, от прилагаемой силы масс имеет некоторую нелинейность и гистерезис. Свойства пьезокерамики зависят от их технологии и напряжения поляризации.
Большинство пьезокерамик имеет достаточную температурную стабильность. Пьезоэлектрические свойства сохраняются вплоть до температуры Кюри. Для титаната бария она равняется 115°С.
Со временем параметры пьезокерамики произвольно изменяются. Старение обусловливается изменением ориентации доменов.
Изготовление преобразователей из пьезокерамики значительно проще, чем из монокристаллов. Керамические изделия изготовляются по технологии, обычной для радиокерамических изделий (путем прессования, или литья под давлением), на керамику наносят электроды, к которым приваривают выводные провода. Разница заключается в электрической обработке. Для поляризации изделие размешивают в электрическом поле напряженностью 105... 106 В/м.
Принцип действия пьезоэлектрического преобразователя. Действие пьезоэлектрического преобразователя базируется на прямом пьезоэффекте. Обычно он представляет из себя пластину, которая изготовлена из пьезоэлектрического материала, на которой есть два изолированных один от другого электрода.
В зависимости от вещества, формы преобразователя и ориентации кристаллических осей, входной величиной могут быть как силы, которые вызывают деформацию сжатия-растягивания, так и силы, которые вызывают деформацию смещения. Последний вид деформации может быть использован в преобразователях, которые имеют во входной величине контакт силы. Выходной величиной преобразователя является напряжение на электродах
это q - пьезоэлектрический заряд,
С - емкость, которая образуется электродами.
Путем подстановки (2 1) в (2.2) получаем функцию преобразования пьезоэлектрического преобразователя
Если преобразователь имеет форму плоскости пластины, тогда емкость между его электродами такая
где εг - относительная диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрического вещества;
S - площадь электрода;
δ - расстояние между электродами.
Путем подстановки (2.4) в (2.3) получаем функцию преобразования преобразователя
ЭДС, которая возникает на электродах преобразователя, достаточно значительная - единицы вольт. Однако, если сила постоянна, тогда измерять ЭДС тяжело, поскольку заряд малый и быстро стекает сквозь входное сопротивление вольтметра. Если сила переменна, тогда образуется переменная ЭДС, измерять которую значительно проще. Когда при этом период изменения силы намного меньше постоянной времени, что определяется емкостью преобразователя и сопротивлением потери заряда, тогда процесс потери не влияет на выходное напряжение преобразователя. При синусоидном законе изменения силы
где ω - частота входного сигнала, ЭДС изменяется также синусоидально
Измерение переменной силы сводится к измерению переменной ЭДС или напряжения.
Пьезоэлектрические преобразователи могут быть использованы только для измерения динамических параметров, что обусловливается как потерей заряда сквозь сопротивление самого пьезоэлектрического преобразователя, так и сквозь нагрузку.
Пьезоэлектрические преобразователи обратного типа.
Принцип действия этих преобразователей базируется на обратном пьезоэффекте, который используется для превращения электрического сигнала в перемещение.
При включении электрического поля напряженностью ЕX вдоль оси X относительная деформация пьезоэлемента в направлении этой оси равняется εX = Δх/х = d2* ЕX, а в направлении оси Y - εY = Δх/х = -d2* ЕX, где d2- пьезоэлектрический модуль.
Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей положен в основу построения пьезотрансформаторов.
При всем разнообразии задач, которые решают пьезоэлектрические преобразователей, можно выделить основные области их использования:
исследования физических свойств материалов, деформаций и напряжённостей объектов измерительной техники;
измерение механических величин;
конструирование генераторов гармонических колебаний, импульсных генераторов и других приборов радиотехники;
разнообразные системы измерения параметров движения;
в зависимости от способа преобразования входного сигнала используются как:
а) виброметры, звукосниматели, сейсмографы и др.;
б) микрофоны, гидрофоны, динамометры, манометры и др.;
в) телефоны, громкоговорители и др.
К основным достоинствам пьезоэлектрических преобразователей относятся: простота конструкции; широкий диапазон рабочих температур; малые габариты и вес; минимальные упругие деформации; высокая надежность; высокая чувствительность.
Основные недостатки: наличие гистерезиса и нелинейности (из-за пьезомодуля d1 от силы и давления); невозможность измерения статических величин и усилий, которые медленно изменяются; сложность градуирования; необходимость поддержки высокого сопротивления изолирования пьезоэлектрических преобразователей и защиты элементов электрической цепи от влияния влажности. Влажность может действовать на пьезоэлектрические материалы двояко:
1. Кристаллы, которые растворяются в воде (соединение титаната бария, агнетовой соли), если они не защищены - растворяются, в то же время сухой воздух отбирает влагу из кристаллов и они, в конце концов, делаются аморфными (распадаются). Поэтому, как правило, растворимые в воде элементы защищают соответствующими водонепроницаемыми покрытиями.
2. Сопротивление изоляции всех пьезоматериалов уменьшается, когда пары сконденсируются на их поверхностях (то же осуществляется и с другими частями пьезопреобразователей).
Поэтому проводится защита от влажности всех частей пьезопреобразователей, а отверстия заполняются силиконовой смазкой. Поверхности, которые нуждаются в высокой прочности, покрываются резиной холодной вулканизации. В больших пьезоэлектрических преобразователях используют силикагель;
наличие температурной погрешности из-за изменения температуры окружающей среды, что вызывает изменение пьезомодуля d11;
возникновение погрешности за счет параметров входной измерительной цепи Свх, Рвх.
В измерительной цепи внешними электромагнитными полями может создаваться паразитная ЭДС. Эта переменная ЭДС создает погрешность. Для защиты от полей измерительная цепь экранируется и датчик соединяется с вторичным преобразователем с помощью экранированного кабеля. Однако нестабильность параметров кабеля, например, изменение его емкости, вызванная сгибанием, вызывает изменение чувствительности и вносит погрешность.
При сгибаниях кабеля он может расслоиться. На расслоенных поверхностях в результате трения образуются электрические заряды. Перемещение заряженных поверхностей под воздействием вибрации кабеля приводит к появлению отдельной переменной ЭДС. Погрешность, обусловленная вибрацией кабеля, может быть значительно уменьшенной при использовании специальных антивибрационных кабелей.
Погрешность преобразователя может быть вызвана также несовершенством пьезоэлектрических материалов: гистерезисом характеристики и нелинейностью.
Если в преобразователе действуют силы, перпендикулярные оси чувствительности пьезоэлемента, то возможная погрешность, которая обусловлена поперечным пьезоэффектом.
Основная погрешность измерительного прибора состоит из погрешностей пьезопреобразователя, схемы согласованности и вторичного прибора [3]
Сравнительно низкая точность пьезопребразотеля окупается простотой конструкции при измерении малых усилий.
Методика выполнения работы
В лабораторный работе исследуется пьезоэлектрический элемент с двумя парами электродов (рис. 2.4), одна из которых представляет собой вход, и другая - выход четырехполюсника. Такой пьезоэлектрический четырехполюсник состоит из совокупности двух пьезоэлектрических преобразователей, один из которых действует в режиме обратного пьезоэффекта, то есть как преобразователь-двигатель, а второй - в режиме прямого пьезоэффекта, то есть как преобразователь-генератор. Оба преобразователя механически связаны между собой, что определяет передачу энергии от одного преобразователя к другому.
В качестве источника электрического напряжения в лабораторной работе используется генератор синусоидальных колебаний. Для измерения выходного сигнала и смещения фаз между входным и выходным сигналами используют электронный вольтметр и фазометр.
Порядок выполнения работы
1. Снятие амплитудно-частотной характеристики.
Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) преобразователя называется зависимость выходного напряжения преобразователя от частоты входного сигнала Uвых=f(ω).
Для снятия АЧХ необходимо собрать электрическую цепь по схеме (рис. 2.4) и подать на преобразователь - двигатель (вибратор) напряжение от генератора синусоидальных колебаний.
Путем изменения частоты напряжения, которая подаётся на вибратор, измерить напряжение на выходе преобразователя.
Примечание. Величину напряжения, которое подается на вибратор, необходимо поддерживать постоянной на протяжении всех измерений. В этом случае амплитуда вибрации пьезоэлемента остается постоянной.
2. Снятие амплитудной характеристики.
Амплитудной характеристикой преобразователя называется зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного сигнала синусоидальной вибрации Uвых = f(Uвх).
Для снятия амплитудной характеристики собрать электрическую цепь по схеме (рис. 2.4) и подать на вибратор напряжение фиксированной частоты от генератора синусоидальных колебаний.
Путем задания разных значений амплитуды синусоидального напряжения, которое подается на вибратор, измерять с помощью электронного вольтметра величину выходного напряжения исследуемого преобразователя.
3. Снятие фазочастотной характеристики
Фазочастотной характеристикой (ФЧХ) называется зависимость смещения фаз между синусоидальными входными и выходными сигналами при разных частотах входного влияния: φ = f(ω).
Для снятия фазочастотной характеристики собрать электрическую цепь по схеме (рис. 2.5). При этом за опорное напряжение, от которого делается отсчет смещения фаз, принимается напряжение, которое подается на вибратор.
Путем изменения частоты входного напряжения от ωmin до ωmax(по указанию преподавателя) измерить значение смещения фаз между опорным напряжением и напряжением, которое снимается с выхода преобразователя.
Обработка результатов измерений
1. По данным пунктов 1, 2, 3 начертить графики АЧХ –Uвых= f(ω), амплитудных характеристик – Uвых = f(Uвх), ФЧХ – φ = f(ω).
2. По амплитудным характеристикам определить чувствительность преобразователя при разных частотах входного сигнала:
3. По графиками АЧХ определить чувствительность преобразователя при нескольких значениях частоты входного сигнала (взять 6-7 значений частоты) и начертить график зависимости S = f (ω).
4. По графиками ФЧХ определить постоянную времени преобразователя τ = 1/ω0, где ω0 - частота входного сигнала, которая соответствует углу смещения фаз φ = 45°.
