Конструкции пьезоэлектрических преобразователей

Достоин­ствами пьезоэлектрических преобразователей являются малые габа­риты, простота конструкции, надежность в работе, возможность измерения быстропеременных величин. Наиболее широкое распро­странение пьезоэлектрические преобразователи получили для изме­рения вибрационных ускорений.

При конструировании датчика акселерометра одним из основ­ных вопросов является крепление пьезочувствительных пластин к основанию и инерционной массе. Сочленение пластин с осно­ванием и инерционной массой в датчике, представленном на рис. 2.12, осуществляется посредством пайки, что позволяет прибору работать до 200° С. К кабелю, соединяющему датчик акселерометра с усили­телем, предъявляются следующие требования: большое сопротив­ление изоляции, малая емкость между жилой и экраном, гибкость и антивибрационность. Последнее означает, что при вибрации кабель не должен наводить на вход усилителя э. д. с. возникающую в результате трения изоляции при тряске об экран. Лучшим является кабель типа АВК-3, имеющий ем­кость 70—80 пФ/м.

 

Рисунок 2.12

 

Повышенную чувствительность имеют преобразователи с пьезоэлементами, работающими на изгиб, однако они имеют значительно более низкую собственную частоту и поэтому применяются только в низкочастотных датчиках. На рис. 2.12 схематически представ­лена конструкция такого датчика низкочастотного акселерометра. Здесь пьезоэлемент 1, называемый биморфным, составлен из двух пластин. К нему приклеен груз 2. При действии силы F пьезоэле­мент прогибается, верхняя пластина испытывает растяжение, ниж­няя — сжатие, и на пластинах наводятся заряды так, как это пока­зано на рис. 2.12.

Конструкция датчика типа Д19 с изгибным пьезоэлементом, выпускаемого таганрогским заводом «Виброприбор», показана на рис. 2.13. Пьезоэлемент 1 из пьезокерамики ЦТС-19 наклеен на упругий элемент 2, представляющий собой круглую плоскую пру­жину с инерционной массой в виде кольца, прорезанного пазами (рис. 2.13, б). Упругий элемент закреплен в центре и при действии ускорения испытывает изгибную деформацию. Размеры пьезоэлемента и упругого элемента выбраны таким образом, чтобы пьезо­элемент испытывал при этом деформацию только одного знака. Заряд пьезоэлемента снимается при помощи гибкого проводника 3, который подпаивается к верхней обкладке пьезоэлемента и кон­такту 4, изолированному от корпуса фторопластовой прокладкой 5 и закрытому предохранительным колпачком 6. Датчик герметизи­руется резиновой прокладкой 7, зажимаемой гайкой 8. Масса дат­чика т = 100 г, чувствительность и частотный диапазон при вход­ном сопротивлении усилителя 2 МОм равны S = 20 мВ/(м/с2) и f = 20 — 500 Гц, собственная емкость датчика 3400 пФ.

 

Рисунок 2.13

Вследствие обратного пьезоэффекта пьезоэлементы деформируются под действием электрического поля. Отно­сительные деформации сжатия и растяжения очень малы и близки по величине к температурным деформациям, поэтому в преобразователях напряжения в перемещение используются обычно изгибные пьезоэлементы. При действии напряжения U одна из пластин сокращается по длине, другая расширяется и в ре­зультате биморфная пластина изгибается; под действием темпера­туры обе пластины деформируются одинаково и изгиба не происхо­дит. Прогиб конца биморфного элемента из кера­мики ЦТС с размерами 40 X 40 X 1 мм при напряжении 400 В составляет 0,323 мм, такой прогиб соответствует действию на сво­бодном конце балки нагрузки около 0,5 Н.

 

Электрострикция

Существует явление электрострикции материалов связанное также с изменением геометрических размеров тел под действием электрического поля, но при этом знак деформации не зависит от направления напряжённости электрического поля. Электрострикция – это деформация твердых, жидких и газообразных диэлектриков в электрическом поле, обусловленная их поляризацией и пропорциональная квадрату напряженности электрического поля. Квадратичная зависимость деформации от напряженности поля Е означает, в частности, что знак электрострикции (т.е. расширяется или сжимается вещество в электрическом поле) не зависит от направления поля. В переменном поле в результате электрострикции механические колебания происходят с частотой вдвое большей, чем частота поля. В твердых телах электрострикция выражается квадратичной формулой:

      (2.17)

где u_lm - компонента тензора деформации;

    E_i и E_j - составляющие напряженности электрического поля;

    q_ijlm - коэффициенты электрострикции;

все индексы i, j, l, m принимают значения 1, 2, 3 или соответственно - х, у, z.

В газах и жидкостях электрострикцию описывают формулой:

,                              (2.18)

где - относительная объемная деформация; А - постоянная электрострикции.

Электрострикция обусловлена поляризацией диэлектриков в электрическом поле, т.е. смещение под действием поля атомов, несущих на себе электрические заряды (ионы, электрические диполи), или изменением ориентации диполей. Электрострикцией обладают все твердые диэлектрики независимо от их структуры и симметрии, в отличие от пьезоэффекта, который наблюдается только у сред, не имеющих центра симметрии. С другой стороны, создание механических напряжений в веществах, обладающих электрострикцией, но не являющихся пьезоэлектриками, не сопровождается возникновением электрической поляризации и соответственно электрического поля: в средах, обладающих центром симметрии. Однородная деформация, возникающая под действием механических напряжений, вызывает однородное изменение расстояний между зарядами атомов и, следовательно, не приводит к появлению электрического момента, т.е. поляризации. Поэтому, в принципе, электрострикцию можно использовать для возбуждения звука (с удвоенной по отношению к электрическому полю частотой), но не для преобразования звуковых колебаний в электрические сигналы.

Количественно электрострикционная деформация твердых тел меньше, чем пьезоэлектрическая. Величина q обусловленной электрострикцией деформации в кристаллах не превышает по порядку величины 3∙10^-10.

Электрострикция наблюдается в жидкостях, газах, обладающих дипольными моментами. Среди жидкостей наибольшей электрострикцией также обладают дипольные, хотя, в принципе, зависимость плотности от электрического поля имеет место в любой диэлектрической жидкости. Постоянная электрострикции для изотропного вещества согласно термодинамической теории зависит от сжимаемости, плотности и диэлектрической проницаемости среды:

,                            (2.19)

Наличие свободных зарядов (электронов и ионов) не исключает электрострикцию, которая наблюдается не только у чистых диэлектриков, но и у ионизированных газов, электролитов и полупроводников, однако, вследствие экранирования свободными зарядами, поле, действующее на связанные с атомами заряды, оказывается уменьшенным. В сильно проводящих средах, например, в металлах, электрическое поле равно нулю и, следовательно, электрострикция отсутствует.

Особую роль играет электрострикция у сегнетоэлектриков, где аномально большой пьезоэффект обусловлен, так называемой, линеаризованной электрострикцией, которая имеет место благодаря наличию в сегнетоэлектриках постоянной, не зависящей от внешнего поля, спонтанной поляризации P_S и, следовательно, большого спонтанного внутреннего поля E_S, пропорционального P_S. При воздействии переменного внешнего поля с амплитудой E E_S основную роль в выражении для эффекта электрострикции приобретает компонент с частотой переменного поля и амплитудой, пропорциональной произведению E_SE. Напряженность поля E_S входит в качестве одного из сомножителей в выражение (2.18), тем самым линеаризуя и усиливая деформацию, возникающую в результате приложения внешнего поля. Данный эффект широко применяется в электрострикционных преобразователях.

К достоинствам таких преобразователей можно отнести высокую чувствительность, равномерность частотной характеристики и низкий уровень собственного шума. Электрострикционные преобразователи имеют малую температурную зависимость чувствительности, резонансной частоты, электрического импеданса и т.п.

К недостаткам относятся - сравнительная сложность конструкции и необходимость применения согласующих каскадов в непосредственной близости от чувствительного элемента, малая электрическая емкость преобразователя (несколько десятков пикофарад) и большое сопротивление нагрузки. Это исключают возможность присоединения электростикционного преобразователя к усилительному устройству кабелем даже малой длины, т.к. в этом случае чувствительность резко падает в результате того, что емкость микрофона шунтируется емкостью кабеля. В качестве согласующих устройств используются либо катодные повторители на миниатюрных электронных лампах, либо каскады, выполненные на полевых транзисторах.

Для увеличения чувствительности электрострикционных преобразователей на неподвижном электроде делают канавки или выемки и повышают поляризующее напряжение U₀, однако величина U₀ ограничена опасностью электрического пробоя между обкладками конденсатора. Обычно U₀ не превышает 250 В. 

Электрострикционные преобразователи могут работать и без поляризующего напряжения. Это достигается применением в устройствах материалов, несущих на себе постоянный электрический заряд (электреты). Электретная полимерная пленка помещается в зазоре между электродами. Свойства полимерных электретов позволяют обеспечить стабильную работу преобразователей в течение десятков лет при заряде, соответствующем напряжению 150В.

В диапазоне звуковых частот чувствительность электрострикционных преобразователей колеблется в пределах 5-50 мВ/Па. При динамическом диапазоне 10-150 дБ. У более высокочастотных электрострикционных преобразователей (известны миниатюрные электрострикционные преобразователи с линейной характеристикой вплоть до 100-140 кГц) чувствительность снижена до 0,5-3 мВ/Па, зато они могут работать в полях со звуковыми давлениями до 174-184 дБ.

Разновидностью электрострикционных преобразователей являются акустические зонды, предназначенные для измерений в малых объемах и труднодоступных местах. Для этого служат трубчатые звукопроводы. Такие зонды могут выполняться как обычные конденсаторные микрофоны, но снабжены трубчатыми насадками разной длины и диаметра, либо иметь "бесконечную" длинную линию, обеспечивающую режим бегущей волны в приемной трубке с целью устранения в ней нежелательных резонансов.

Электрострикционные преобразователи, предназначенные для измерения колебаний поверхностей твердых тел, устроены, в принципе, аналогично электрострикционным преобразователям для воздушной среды, только подвижным электродом служит сама колеблющаяся поверхность тела, амплитуду колебаний которой необходимо измерить. В таких электрострикционных преобразователях чаще применяется способ измерения амплитуды колебаний, основанный на частотной модуляции. Детектируя полученный высокочастотный сигнал, можно определить частоту и амплитуду колебаний вибрирующей поверхности.

Электреты

Электреты - это аморфные и поликристаллические диэлектрики, длительно сохраняющие поляризованное состояние после снятия внешнего электрического поля, вызвавшего поляризацию диэлектрика, и создающие электрическое поле в окружающем пространстве. Из этого определения следует, что электрет является поляризованным диэлектриком, точно так же, например, как и поляризованная сегнетокерамика, то есть пьезокерамика. Последняя, однако, состоит из кристаллитов или зерен, которые поляризованы спонтанно, самопроизвольно, в то время как электрет - это диэлектрик, поляризованный внешним полем принудительно и сохраняющий эту поляризацию длительное время. Казалось бы, электрет можно рассматривать как электрический аналог постоянного магнита. Однако на самом деле аналогия эта неполна и формальна, что обусловлено различной природой магнетизма и электрических явлений.

Впервые предположение о том, что, подобно постоянным магнитам, в природе должны существовать постоянно поляризованные диэлектрики, высказал в 1896 году английский физик Оливер Хевисайд. Он назвал такие диэлектрики электретами и предсказал некоторые их свойства. Лишь в 1920 году появилось сообщение о первом электрете, изготовленном японским физиком М. Егучи из смеси карнаубского воска, канифоли и пчелиного воска, затвердевающей в присутствии сильного электрического поля.

Для получения электретов диэлектрик, помещенный в электрическое поле, подвергают определенному внешнему воздействию, которое способствует процессу миграции заряженных частиц (электронов и ионов). Такими воздействиями могут быть нагревание, освещение, магнитное поле, механическое напряжение, радиоактивное облучение и др. Поэтому в зависимости от способа изготовления различают термоэлектреты, фотоэлектреты, магнитоэлектреты, радиоэлектреты и др.

Наибольшее распространение получили термоэлектреты. В основе способа их получения лежит представление о том, что в нагретом до высокой температуры веществе электрическое поле легко поворачивает существующие или создает и ориентирует новые структурные электрические диполи, которые затем замораживаются в ориентированном положении при охлаждении вещества в электрическом поле.

Длительное время термоэлектреты изготавливали только из таких органических веществ, как смолы, пчелиный воск, канифоль. В 1953 году были получены первые электреты из полимеров: полиметилметакрилата (плексигласа), нейлона и др. Несколько позднее появились электреты из серы, нафталина, эбонита, и только в 1956 году А.Н. Губкин и Г.И. Сканави получили первые электреты из неорганических несегнетоэлектрических керамических материалов (CaTiO3 , MgTiO3 и др.).

Если считать, что электрет получен путем ориентации существующих в материале постоянных электрических диполей в приложенном электрическом поле и охлаждением материала от температуры, при которой диполи свободно вращаются, до температуры, при которой диполи заморожены в тех или иных положениях, то величину остаточной поляризации можно оценить из формулы Дебая для дипольной поляризации. Эта зависимость является приближенной и справедливой только для системы свободных вращающихся диполей, на вид этого выражения будут существенно влиять любые дефекты материала, препятствующие вращению диполей. Измерения поверхностного заряда различных электретов показали, что значения Р для электретов из карнаубского воска составляют величину порядка -  Кл/м², а для керамических электретов 0,1-1 Кл/м².

При такой остаточной поляризации Р внутри электрета создается сильное электрическое поле. Если электрет имеет вид плоской пластины с линейными размерами электродов, много большими, чем расстояние между ними, то поле вне электрета равно нулю. Другое дело, когда толщина и другие линейные размеры электрета не сильно отличаются друг от друга. В этом случае поле вне электрета не везде равно нулю, имеется поле рассеяния, которое у краев образца может достигать значений, соизмеримых с полем внутри электрета. Поэтому часто говорят о способности электрета создавать поле в окружающем пространстве.

Большой интерес представляет также электрет с воздушным зазором между одним из электродов и поверхностью диэлектрика, в то время как второй электрод нанесен непосредственно на поверхность электрета. Когда зазор достаточно узок, то на удаленном от поверхности электроде будет индуцирован заряд, поверхностная плотность которого близка к величине Р. В этом случае напряженность поля внутри зазора может достигать больших значений. Здесь также можно говорить о сильном поле, созданном вне электрета.

Исследования показали, что поляризация электретов имеет объемный характер. Если разрезать электрет на пластины, перпендикулярные оси остаточной поляризации, то каждая из пластин также будет электретом. Объемный характер поляризации электретов может быть обусловлен как замораживанием электрических диполей по всему объему, так и закреплением смещенных полем ионов в новых энергетически выгодных позициях.

Систематическое изучение свойств электретов позволило установить, что в электретах обычно имеются два типа поляризации: один обусловлен гомозарядом, имеющим тот же знак, что и знак заряда на прилегающих электродах, используемых для поляризации, другой вызван гетерозарядом, знак которого противоположен знаку заряда на прилегающих электродах. Гомозаряд создается зарядами у поверхности диэлектрика, которые перешли из металлического электрода или воздушного зазора в поверхностные слои твердого диэлектрика. Гетерозаряд возникает в результате поляризации объема диэлектрика в электрическом поле, при которой происходят ориентация существующих диполей или разделение зарядов и образование диполей.

Гомо- и гетерозаряды взаимосвязаны, и изменение одного из них приводит к изменению другого. Результирующий заряд на поверхности диэлектрика определяется алгебраической суммой гетеро- и гомозарядов. Сразу после окончания поляризации преобладает гетерозаряд, а спустя некоторое время, когда тепловое движение разориентирует диполи, преобладающим становится гомозаряд. Опыты показывают, что гомозаряды сохраняются в течение более длительного времени по сравнению с гетерозарядами.

Поскольку поляризация электретов индуцирована внешним полем и не является равновесным свойством твердых тел, она будет уменьшаться (релаксировать) со временем. Время релаксации или время жизни t некоторых электретов при комнатной температуре может достигать десятков лет, однако оно сильно зависит от внешних условий, таких, как температура, ионизирующее излучение, влажность и др.

На практике определять времена жизни электрета, достигающие нескольких десятков лет, затруднительно, поэтому его оценивают, используя температурную зависимость времени релаксации.

Для этого строят зависимость ln t от 1/ Т при повышенных температурах, когда времена релаксации t невелики и легко измеряются в эксперименте, а затем экстраполируют полученную прямую к комнатной температуре и таким образом оценивают время жизни электрета. Оказалось, например, что время жизни пленочного электрета из фторопласта-4 превышает 100 лет, а время жизни электрета из поликарбоната составляет примерно 1000 лет.

В настоящее время наибольшее практическое применение находят электреты на основе полимерных пленок политетрафторэтилена, поликарбоната, полиметилметакрилата и др. Их используют для изготовления микрофонов и телефонов с очень широким частотным диапазоном, для бесконтактного измерения скорости вращения и механических вибраций, в качестве дозиметров радиации, пылеуловителей, в ксерографии и электрографии и многих других случаях.

Рассмотренные выше примеры практических применений материалов с метастабильной электрической поляризацией показывают, что они весьма перспективны. В ряде технических приложений отсутствует альтернатива диэлектрическим материалам с метастабильной поляризацией, в других случаях эти материалы обладают несомненными преимуществами перед конкурирующими с ними материалами. В то же время следует помнить, что мы схематично коснулись лишь некоторых этапов пройденного пути и малой части важных приложений. Вполне очевидно, что поиск и исследование новых материалов с особыми электрическими свойствами представляют собой одно из важных направлений современной физики твердого тела.

 

⇐ Предыдущая9101112131415161718Следующая ⇒

Поделиться: