Пьезоэлектрические преобразователи в народном хозяйстве

May 31, 2015 by admin Комментировать »

Пьезоэлектрические преобразователи работают с использованием прямого и обратного пьезоэффекта, заключающегося в том, что при сжатии или растяжении пластин, изготовленных из материалов, обладающих пьезосвойствами, на их гранях появляются электрические заряды, или наоборот, под действием электрического поля пластина изменяет свои геометрические размеры тем больше, чем под большим электрическим напряжением она находится. В настоящее время известно большое количество материалов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами. В пьезоэлектрических преобразователях используют кристаллы кварца, сегиетовой соли, дигидрофосфата аммония и различные пьезокерамики.

Кварц — один из немногих природных кристаллов, обладающих ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами. По своей эффективности при излучении и приеме колебаний, по величине пьезомодуля (постоянной, определяющей пьезоэлектрические свойства) кварц намного уступает другим современным пьезоматериалам, но по стабильности параметров значительно превосходит их. Поэтому применение кварцевых преобразователей оправдано только в высокоточных измерительных установках, в том числе в тех, которые работают в сложных температурных условиях, а также в высокостабильных резонаторах и узкополосных фильтрах. В электрических преобразователях кварц применяют в виде пластин толщиной, не превышающей 0,5 см при площади не выше 36 см2. Этн пластины получают распиловкой естественных кристаллов кварца (горный хрусталь) алмазными пилами.

Кристаллы сегиетовой солн шире применяют в пьезоэлектрических преобразователях, так как они имеют больший пьезомодуль н малую стоимость. Последнее связано с тем, что их выращивают искусственно и в больших количествах с применением простых технологических процессов. К недостаткам относят их малую механическую прочность и низкую температуру фазового перехода (точки Кюри). Кроме того, они сильно гигроскопичны и при использовании в датчиках требуют специальных мер влагозащиты (применение покрытий, погружение в масло).

Кристаллы дигидрофосфата аммония по своим свойствам близки к сегиетовой соли, но более прочны, негнгроскопичны и имеют более высокую температуру фазового перехода.

В настоящее время в практике использования пьезоэффекта все большее распространение получают преобразователи из пьезокерамики, приготовленной из твердых растворов на основе титаната бария, метаниобата свинца и циркон ата титаната свинца. Эти материалы обладают высокими пьезосвойствами и по стабильности своих характеристик (имеется в виду в основном керамика на основе твердых растворов из титаната цирконата свинца — ЦТС) приближаются к кристаллам кварца. Они стали заменять кварц в устройствах стабилизации частоты генераторов (резонаторах) и электрических фильтрах. Рассмотрим несколько основных применений пьезоэффекта.

Наиболее широкое применение пьезоматериалы нашли в практике ультразвуковых исследований.

Акустическая головка, в которой в качестве пьезопреобразователя используется кристаллический пьезоэлемент показана на рис. 2-29, а. В такой армировке могут использоваться любые кристаллические материалы, обладающие пьезосвойствами. Акустическая головка имеет корпус 4 цилиндрической формы. К дну 5 корпуса через изоляционную прокладку о прижимается кристалл/. Для прижима используется втулка 2, выполняющая роль демпфера. Втулка упирается во вторую изоляционную прокладку 9% которая в свою очередь прижимается верхней крышкой 7 корпуса. На крышке укреплен высокочастотный коаксиальный разъем 8. Минусовым электродом служит сам корпус датчика, изготовленный обычно из дюраля или латуни и подключаемый к корпусу высокочастотного разъема, а плюсовый электрод кристалла соединяется проводником 3 с изолированным контактом того же разъема. В случае исполь-

Рнс. 2-29.

зовання в акустической головке кристаллов из сегнетовой соли пространство 10 между втулкой и корпусом заполняется химически чистым касторовым или трансформаторным маслом. При использовании кристаллов из негигроскопичных материалов пространство 10 можно ничем не заполнять Конструктивно акустическая головка довольно проста, а, главное, при соответствующей смене втулок 2 оиа может быть использована для кристаллов разных размеров.

На рис. 2-29,6 показана конструкция акустической головки с пластинами из пьезокерамики. Акустическая головка состоит из корпуса 3 с высокочастотным соединительным разъемом 4, демпфирующей накладки из текстолита 2, собственно пьезопластины /. Пьезопластина приклеена к демпфирующей накладке 2 и снаружи залита эпоксидной смолой 6. Конструкция иеразборная, но удобная в эксплуатации. Расход акустической энергии в слое эпоксидной смолы незначителен (5 — проводник).

Блок-схема простейшего прибора для проведения ультразвуковых исследований показана и а рис. 2-29, в. Прибор составлен из стандартных радиоизмерительных установок. Генератор импульсов 1 типа Г5-8 или Г5-15 вырабатывает импульс напряжения, который преобразуется излучающей акустической головкой 2 в ультразвуковой сигнал. Ультразвуковой сигнал, пройдя исследуемую среду 3, попадает на приемную акустическую головку 4, в которой преобразуется в пакет колебаний напряжения. Импульс, по времени соответствующий моменту возбуждения излучателя осциллографа, запускает развертку электронно-лучевого типа (С 1-5, Cl-8, С1-19 или др.) и на экране наблюдают пакет колебаний. По меткам времени определяется время между моментом посылки сигнала и первой фа. зой пакета колебаний. Зная базу измерения {длину исследуемого образца 3) и время ее прохождения акустическим сигналом, можно найти скорость распространения ультразвуковых колебаний по формуле

где V — скорость распространения ультразвуковых волн; 5 — база измерения, t — время прохождения сигнала.

Такая простая измерительная установка позволяет проводить ультразвуковым методом изучение физико-химических и механиче* ских характеристик различных материалов в лабораторных условиях на малых базах. В этой установке в качестве акустических головок могут быть использованы рассмотренные ранее конструкции.

Кристаллы пьезокварца редко применяют в ультразвуковых измерительных приборах. В основном их используют при изготовлении резонаторов, обладающих высокой добротностью и используемых в качестве стабилизаторов частоты различных схем генераторов н узкополосных фильтров. При этом в зависимости от конструктивного исполнения и схемы включения кварцы обеспечивают стабильность частоты (l-f-10)-10“б Fnt где Fu — номинальная частота кварца.

В процессе обработки кристаллов кварца (распиловка, шлифовка, травление поверхности и др.) добиваются того, чтобы размеры кварца соответствовали необходимым размерам для обеспечения Fh+Δ, где Δ — небольшое увеличение частоты, устраняемое в процессе напыления электродов на поверхность кристалла кварца. В процессе окончательной подгонки частоты (юстировки) обязателен контроль параметров кварца

Прибор для юстировки кварцев (автор конструкции И. И. Бондаренко). Схема прибора изображена на рис, 2-30. Прибор предназначен для проверки частоты кварцев и состоит из генератораг

выполненного на транзисторе Ть эмиттериого повторителя (Т%) термостата с контрольным регулшэуклцим контактным термометром КТ и реле, стабилизированного блока питания. Прибор позволяет юстировать как низкочастотные, так и высокочастотные кварцы (переключатель Вкз)· Гнезда Λ и Г* служат для подключения кварцев: термостатируемых (Γι) и нетермостатируемых (Г2).

Прибор для проверки частоты кварцев (авторы конструкции В. И. Галенко н В. Я. Кравцев). Он выполнен по схеме генератора с емкостной трехточкой (рис. 2-31). Испытуемый кварц вставляют в гнезда 4 и 5. Частотомер подключают к гнездам 3—6.

Ультразвуковой термостойкий датчик предназначен для контроля нарастания скорости ультразвука в бетоне при его термообработке кассетными установками (авторы конструкции Я. И. Онацкий,

Рис. 2-32.

А.          Р. Решетилов, А. В. Кудасов, М. И. Фридлянт, экспонат 25-й ВРВ). Датчик (рис. 2-32, а) состоит из металлического (стального или латунного) конического корпуса / с завинчивающейся по резьбе крышкой 2. Боковые стенки корпуса выполнены коническими, чтобы обеспечить свободную распалубку железобетонного изделия. Внутри корпуса 1 расположен диск из пьезокерамики 5 (используется пьезокерамика типа ЦТС- 19). Электрический контакт с электродами пьезокера-

мического диска осуществляется через контактную поверхность корпуса 4 и пластину 6, изолированную от корпуса прокладкой         3, либо просто подпайкой соответствующих элек трических выводов, один из которых соединяется с проводом 8, а другой — с корпусом прибора. Корпус датчика припаивают к металлической трубке 0, к нижней части которой подпаивают металлическое кольцо 7 для обеспечения герметичности соединения, а к верхней — конус с укрепленным на нем высокочастотным разъемом 10.

Рис. 2-33.

Внешний вид датчиков показан на рис. 2-32,6. С их помощью удалось значительно повысить качество изготовления железобетонных изделий.

Датчик для исследования распространения шумов в зданиях

(автор конструкции В. В. Калюжный). Он состоит из корпуса 3, который винтом 2М16 крепится к исследуемому объекту, укрепленного на корпусе биморфного пьезоэлемента 1 с помощью эпоксидного компаунда 4 и соединительного вибростойкого кабеля 2 (рис. 2-33, а). Датчик защищен крышкой 5, закрепляемой винтами 6. Биморфный элемент изготовлен из пластин керамики титаната бария 7, склеенных через пластину из фосфористой бронзы 8. На рисунке показаны три типовых разреза датчика по плоскостям, проходящим через линии в*—А, 6—6 И в—“в.

С измерительным устройством датчик соединяется через эмиттерный повторитель, схема которого показана на рис. 2-33,6. Повторитель для повышения входного сопротивления выполнен по схеме составного транзистора. Он помещен в автономном малогабаритном блоке и крепится непосредственно у датчика на неколеблющейся подставке.

Чувствительный элемент электронного прибора для определения момента касания абразивного круга с изделием при работе на резьбошлифовальном станке (автор конструкции А. Г. Ларионов). Чувствительный элемент (рис. 2-34, а) состоит из корпуса 1, в кото-

ряс. 2-34.

Рис. 2-35, ром в демпфере 5 зажата пластина 3 из пьезокерамики (титанат бария). На конце пластины укреплена «сейсмическая масса» 2 (грузик). К электродам пластины подпаяны выводы 4. Корпус датчика — герметичный и изготовлен из органического стекла. На рис. 2-34, б схематически показана кинематическая схема контроля. Обрабатываемую деталь 3 зажимают в переднем 2 и заднем 4 центрах станка. На заднем центре станка укреплен датчик 5. Акустический сигнал, возникающий в момент касания абразивного круга 1 с деталью, преобразуется датчиком в электрический сигнал, который по соединительному кабелю 6 передается на измерительный прибор 7. Внешний вид заднего центра с укрепленным на нем датчиком 5 и соединительным проводом € показан на рис. 2-34, в.

Принципиальная схема прибора дана на рис. 2-35. Прибор состоит из измерительного усилителя, выполненного на транзисторах Γι—Гв, диодного (диоды Mi—Mi) выпрямительного измерительного моста со стрелочным индикатором И — микроамперметром на 100 мкА в диагонали и стабилизированного блока питания. К выходу усилителя для слухового контроля момента касания абразивного круга с деталью и для контроля качества обработки поверхности путем прослушивания характерного шума подключают головные телефоны. Такой контроль необходим, так как из-за использования в процессе обработки промывочной жидкости обрабатываемая поверхность, особенно при обработке поверхностей сложной формы (резьбы, шестерни и т. д.)\ не поддается визуальному контролю. Для повышения стабильности усилитель построен по схеме с использованием постедовательно включенных транзисторов. Кроме того, он охвачен положительными и отрицательными обратными связями. Все эти меры позволили значительно улучшить стабильность его работы.

Прибор для определения мест утечки воздуха из подземных трубопроводов (авторы конструкции А. Н. Бондаренко, А. Н. Клюев и Г. П. Антонычев). Принцип действия прибора основан на том, что в месте утечки воздуха в трубопроводах возникают акустические колебания, частота и интенсивность которых определяется избыточным давлением в трубопроводе, глубиной залегания трубопровода н размерами трещин и щелей. Прибор позволяет обнаруживать повреждения на глубинах до 2 м с точностью ±20 см. Он состоит из акустического датчика вибраций с пластиной из титаната бария, предварительного двухкаскадного усилителя, диодного ограничителя и трехкаскадного усилителя с подъемом частотной характеристики в области частот 300—3000 Гц (рис. 2-36). Усилитель выполнен на пяти транзисторах по схеме RC. Контроль превышения звукового фона осуществляется на слух через головные телефоны и по стрелочному индикатору.

Рис. 2-37.

Внешний вид прибора в еборе показан на рис. 2-37.

Блок мвкроперемещеннй для удьтрамикротома (авторы конструкции И. Чемерис, И. Луковский, А. Доновский-Янчук). Прибор (рис. 2-38, а) состоит из объектодержателя 7, пакета из склеенных пьезопластин 2, выводного контакта — высокочастотного разъема 4, хвостовика 5 и корпуса 3, залитого эпоксидной смолой. Принцип действия блока микроперемещений основан на использовании обратнога пьезоэлектрического эффекта При подаче на обкладки пьезопакета из склеенных пластин керамики (циркон ата титан ата свинца) высокого напряжения пакет изменяет свои геометрические размеры и перемещает объект: ширина пакета (толщина) увеличивается на 20—30 мкм. Возникающее при этом давление достигает 60 кгс/см2. Электрическая схема блока микроперемещений показана на рис.

38,6. С автотрансформатора Τρι напряжение поступает на высоковольтный трансформатор Тр%% смонтированный в блоке 2. Высокое напряжение, получаемое со вторичной обмотки трансформатора Гр%, выпрямляется двухполупериодным выпрямителем, сглаживается ем* костным фильтрам и поступает на блок микроперемещений 4. Величи на микронеремещении контротируется индикатором 5 стрелочного типа

Несколько слов об изготовлении пакета из пьезопластин Пакет изготавливают из дисков пьезокерамики типа ЦТС-19 диаметром 25—30 мм и толщиной 1 мм. Количество пластин выбирают в зависимости от необходимого максимального перемещения.

Для склейки пластин применяют клей типа БФ-2, разведенный в спирте-ректификате при соотношении 2:3. Температура склей* вания не должна превышать 90° С. Между пьезопластинами помещают диски из латунной посеребренной фольги для получения промежуточных электродов. Склеивание

пакета осуществляют в термостате при удельном давлении около 50 000 Па.

Интересным применением пьезоэффекта можно считать использование его для обеспечения микроперемещений, микроподачи резцов при проведении прецизионных токарных и фрезерных работ, при изготовлении пленок толщиной в единицы микрон.

Пьезоэлементы находят также применение в качестве датчиков быстроперемеиных давлений.

Датчик быстропеременных давлений (автор конструкции Ю. Ясенев). Схема включения датчика показана на рис. 2-39. Датчик состоит из стального корпуса пластин из керамики титаната бария 2

Рис. 2-39.

н 4, стальных электродов 3 и 5, предохранительного стекла 6 и выводных контактов 8. Все перечисленные детали жестко скреплены друг с другом и корпусом карбинольным клеем 7, Датчик работает следующим образом. При сжатии пьезопластни под действием измеряемого давления на их обкладках возникают электрические заряды. Эти заряды накапливаются и на обкладках конденсаторов С*—С* При этом, если емкости конденсаторов Ci-f-Ca равны емкоети конденсатора С, н параметры пластин одинаковы, ток на входе усилителя постоянного тока равен нулю. В дайной конструкция одна пьеэопластнна 4 измерительная, другая 2 — контрольно балансировочная. Балансировка схемы производятся пря нулевом давления е помощью конденсатора переменной емкости Ся н резисторов /?i и А. Измерение давления производят при замкнутом ключе К. Такая ехема измерения позволяет полностью исключить погрешности, обусловленные изменением свойств пьезокерамнки при старении.

Пьезопрофилем ер — прибор для исследования шероховатостей поверхностей. Преобразователи на основе пьезоэлементов имеют высокую чувствительность и стабильны в работе. В качестве пьезоэлектриков употребляют обычно керамику титаната бария как наиболее дешевый материал В профнлометрах применяют биморфиые пьезоэлементы, т. е. пьезоэлемеиты, склеенные из двух пластин так, как показано на рис. 2-40, а. Пластины /, 2 склеивают через серебряное или алюминиевое покрытие, служащее средним электродом 4. Такие же покрытия наносят на внешние поверхности пьезоэлементов. К внешним электродам припаивают токовыводы 3. Пластины склеи-

вают таким образом, чтобы напряжение, возникающее на их обкладках, складывалось. При этом достигается максимальная чувствительность, равная 30 мВ/мкм. Как видно из рис. 2-40,6, пьезопреобразователи имеют линейную зависимость напряжения на обкладках от деформации пластин, точнее от отклонения закрепленного конца пьезопластин относительно положения равновесия. Схематически чертеж преобразователя показан на рис. 2-40, в. В корпус 1 одним концом жестко заделан биморфный пьезоэлемент 4. На свободном конце пьезоэлемента укреплен кронштейн 5 со щупом 2 на конце. Элементом, воспринимающим шероховатость исследуемой поверхности 6, служит наконечник из алмаза или корунда 3. Нулевое положение чувствительного элемента (детали 2—5) фиксируется упором с шаровой поверхностью 7. В качестве измерительной схемы используют стандартные усилители напряжения низкой частоты, коэффициент усиления которых не превышает 1000, выполненные по схеме RC с ламповым вольтметром на выходе.

Пьезопреобразователи незлектрнческнх величин в электрические могут находить все более широкое применение при измерении таких параметров, как размеры изделий и их различных физико-химических н механических характеристик. На базе использования обратного пьезоэффекта построены ультразвуковые установки для очистки и мойки деталей, для приготовления эмульсий, для тонкого измельчения различных материалов н других целей. При этом для возбуждения механических колебаний на резонансной частоте пьезопластин применяют генераторы высокой частоты и импульсные генераторы, в том числе рассмотренные в гл. 1.

Для регистрации механических колебательных процессов, для возбуждения колебаний в различных средах могут помимо рассмотренных использоваться преобразователи, основанные на использовании магннтострнкционного и электродинамического эффектов, о которых расскажем далее.

Источник: Смирнов А. Д., Радиолюбители — народному хозяйству. — 2-е изд., перераб. и доп. — М: Энергия, 1978. — 320 с., ил.— (Массовая радиобиблиотека; Вып. 957).

Оставить комментарий

Устройство витков выходе генератора импульсов микросхемы мощности нагрузки напряжение напряжения питания приемника пример провода работы радоэлектроника сигнал сигнала сигналов сопротивление схема теория транзистора транзисторов управления усиления усилитель усилителя устройства частоты