Физические основы термоэлектрических измерительных преобразователей

Принцип работы термоэлектрических измерительных преобразователей основан на реализации термоэлектрических явлений в материалах, позволяющих осуществить преобразование измеряемых тепловых величин в электрический выходной сигнал датчика.

К настоящему времени известно более 200 термоэлектрических явлений и эффектов. К ним можно отнести, например, джонсоновский шум в проводниках. Суть данного явления заключается в том, что в результате тепловых флуктуаций концентрации плотности зарядов на концах проводника генерируется переменная ЭДС:

.                             (2.20)

К числу наиболее широко применяемых в измерительной технике термоэлектрических явлений относятся: пироэффект в сегнетоэлектиках; термоэлектрические эффекты генерации электрических зарядов в проводниках, полупроводниках и растворах; эффекты генерации ЭДС на границе раздела сред и др.

 

Пироэлектричество

Пироэлектрики представляют собой особую разновидность пьезоэлектриче­ских кристаллов и отличаются от соб­ственно пьезоэлектриков тем, что их ячейка имеет одно или несколько взаим­но неуравновешенных полярных на­правлений. Благодаря этому указанные кристаллы поляризуются при всестороннем тепловом расширении, откуда и происходит название «пироэлектрики». Типичным представителем пироэлектриков является турмалин.

Сегнетоэлектрики входят в группу пироэлектрических кристал­лов. Характерным отличием сегнетоэлектриков является то, что их кристалл разбит на домены, в пределах которых существует упорядоченная структура и свое полярное направление. Однако полярные направления доменов ориентированы по-разному. Такое строение подобно строению ферромагнетиков, поэтому сегнетоэлектрические материалы называют также ферроэлектрическими. Сегнетоэлектрикам присуща нелинейная зависимость плот­ности поляризованных зарядов от внешних воздействий (механи­ческие напряжения, температура и т. д.) и гистерезис.

Одни и те же кристаллы в зависимости от температуры могут быть как сегнетоэлектриками, так и линейными кристаллами. Температура, при которой сегнетоэлектрическая структура крис­талла преобразуется в структуру линейного кристалла или в дру­гую сегнетоэлектрическую структуру, называется точкой Кюри. Вблизи точки Кюри аномальные свойства сегнетоэлектриков, например высокая поляризация при действии механических напря­жений и температуры или очень большое изменение диэлектри­ческой проницаемости ε при действии температуры, проявляются особенно сильно. Типичными представителями сегнето­электриков являются сегнетова соль между точками Кюри от —18 до +24 °С и монокристаллический титанат бария, имеющий три точки Кюри: при—80; 0 и +120 °С. Сегнетоэлектрические монокристаллы сравнительно мало используются в измерительной технике из-за относительно низкой стабильности свойств и трудности полу­чения бездефектных монокристаллов.

Сегнетоэлектрические пьезокерамики представляют собой про­дукт отжига спрессованной смеси, состоящей из мелкораздроб­ленного сегнетоэлектрического кристалла с присадками. Пьезоэлек­трические свойства они приобретают после поляризации в сильном электрическом поле, направление которого и определяет поляр­ный вектор пьезокерамики (направление поляризации в пьезокерамике обычно обозначают осью Z). В настоящее время сырьем для производства пьезокерамики наряду с титанатом бария с точ­кой Кюри +120° С служат титанат свинца РЬТi3 с точкой Кюри около +500 °С и цирконат свинца PbZrO3 с точкой Кюри примерно +230 °С. Наилучшие результаты получаются при использовании смесей этих материалов — так называемых цирконато-титанатов свинца (керамики типа ЦТС), которые получили сейчас самое широ­кое распространение, так как, обладая такой же чувствитель­ностью, как и ВаТiO3, они обеспечивают работу преобразователя в температурном диапазоне до 200—250 °С.

Природный материал – пьезокварц – обладает менее выраженными пьезоэлектрическими свойствами, но более стабилен при воздействии температуры и других факторов. Пьезокерамика обладает большим пьезоэффектом, но её свойства сильно зависят от температуры, есть старение во времени. Поэтому пьезокварцевые преобразователи используют для создания измерительных устройств с частотным выходом, а пьезокерамические – для амплитудных датчиков.

Пьезокерамику получают путём спекания спрессованной смеси, состоящей из мелкораздробленных, мелкодисперсных сегнетоэлектрических кристаллов с присадками (свинец, титан). У сегнетоэлектриков кристаллы разбиты на домены, в пределах которых существует упорядоченная структура, что обуславливает определенное направление их спонтанной поляризации. При изготовлении пьезокерамики направления поляризации доменов распределены равномерно, поэтому суммарного электрического поля не создается. При спекании смеси к образцу прикладывается сильное внешнее электрическое поле, содействующее ориентации доменов в определенном направлении. После снятия внешнего поля и охлаждения пьезоэлемента домены удерживаются в заданном направлении. Содержание ориентированных доменов в образце не превышает 7-10% от их общего числа. Под действием внешнего электрического поля напряженностью в десятки киловольт на сантиметр относительные деформации пьезоэлемента составляют сотые доли процента.

Для нелинейных диэлектриков зависимость электрического смещения от напряженности электрического поля принимает вид петли гистерезиса. Наличие гистерезиса является причиной низкой добротности резонаторов из таких пьезоматериалов.

Рисунок 2.14 Петля гистерезиса для сегнетоэлектрика.

 

Одним из широко применяемых в последнее время пьезоэлектрических материалов является также лантан галлиевый силикат (лангасит), представляющий собой кристалл, обладающий уникальным сочетанием физических свойств, обеспечивающим применением его в пьезотехнике.

С точки зрения физических свойств лангасит не может быть отнесен ни к пироэлектрикам ни к сегнетоэлектрикам. Это связано с тем, что по своим характеристикам лангасит занимает промежуточное положение в ряду других известных пьезоэлектрических материалов, таких как ниобат лития, танталат лития и кварц. Он перекрывает собой те области применения, где использование других традиционных материалов по ряду характеристик не эффективно. Лангасит имеет меньшую, по сравнению с кварцем, ниобатом лития и танталатом лития анизотропию коэффициентов линейного расширения, что является важным свойством для высокотемпературных применений. Пьезоэлектрические подложки на основе кристаллов лангасита используются для изготовления ПАВ-датчиков (датчики на поверхностных акустических волнах), а также фильтров, резонаторов и других пьезоэлектрических приборов, использующих объемные акустические волны (ОАВ).

Кристаллы лангасита выращиваются вдоль осей <001>, <011> и <110>. Пьезоматериалы, которые используются в качестве подложек для ПАВ-приборов, имеют два наиболее важных параметра:

· скорость распространения ПАВ и ее температурная зависимость;

· коэффициент электромеханической связи.

 

2.6.2 Применение пироэффекта

Суть данного эффекта заключается в появлении электрического заряда на поверхности кристалла при изменении его температуры. Впервые это явление исследовали Эпинус в 1756г., Брюстер в 1824 г. и др.

Выделяют два механизма поляризации кристаллов при изменении их температуры: векториальное пироэлектричество и тензориальное. В первом случае заряды гранях кристалла появляются в результате поворота доменов в сегнетоэлектриках (нелинейный эффект), а во втором случае в результате смещения ионов, как следствие асимметрии кристаллов (линейный эффект):

,   (2.21)

где S – площадь обкладки на поверхности пьезоэлемента.

   - пироэлектрический коэффициент,

 - приращение поляризации в результате пироэффекта.

 

Таблица 2.2

Материал пироэлектрика	Пироэлектрический коэффициент, ( )	Температура Кюри, (°С)
Титанат бария	7,0	120
Цирконат-титанат-свинца	15,0	215 - 365
Танталат лития	1,8	650

 

Рисунок 2.15 Температурные зависимости пироэлектрического коэффициента для линейных (1,2) и нелинейных (3) пироэлектриков.

Причина появления доменов в сегнетоэлектриках связана с уменьшением полной энергии системы кристалл – окружающее его электрическое поле. То есть, при однородной по всему кристаллу поляризации на его поверхностях возникают связанные электрические заряды, которые создают деполяризующее поле, наличие которого приводит к появлению дополнительной положительной энергии. При разбиении кристалла на домены происходит уменьшение этой энергии, поскольку пространственная протяженность электрического поля уменьшается вследствие замыкания электрических силовых линий непосредственно вблизи поверхности кристалла. Процесс разбиения кристалла на домены заканчивается, когда уменьшение энергии электрического поля скомпенсируется положительным вкладом энергии доменные границы – пограничные слои между доменами.

Рисунок 2.16 Зависимость пространственной протяженности деполяризующего электрического поля при возникновении доменной структуры в сегнетоэлектриках.

Термодинамический анализ пироэлектрического эффекта показал, что кристалл пироэлектрика обладает еще одним свойством: его температура обратимо изменяется при наложении внешнего электрического поля. Этот эффект называется электрокалорическим, и его величина также определяется пироэлектрическим коэффициентом:

,                              (2.21)

где – Е – напряженность электрического поля; с – теплоемкость кристалла.

 

Рисунок 2.17  Температурная зависимость спонтанной поляризации и пироэлектрического коэффициента для сегнетоэлектриков.

Таким образом, физические эффекты в кристаллах нельзя рассматривать изолированно друг от друга, так как под действием одних и тех же внешних сил в кристалле всегда возникает несколько явлений. Например, приложение механических сил приводит не только к деформации кристалла, но и вызывает его электрическую поляризацию; внешнее электрическое поле не только поляризует диэлектрик, но также приводит к его механической деформации. Различные эффекты проявляются одновременно и сложным образом взаимодействуют между собой. Коэффициенты характеризуют различные свойства кристаллов и зависят от условий, в которых они измеряются. Например, механические свойства веществ зависят от электрических и тепловых условий, в которых они находятся, а электрические свойства – от тепловых и механических условий и т.д. Поэтому математические уравнения должны учитывать всю совокупность механических, электрических и тепловых явлений в кристаллах: упругость, прямой и обратный пьезоэффекты, тепловое расширение, теплоемкость, пироэлектрический эффект, пьезокалорический эффект (изменение энтропии под действием механических напряжений), электрокалорический эффект (изменение энтропии под действием электрического поля).    

Пироэлектрический эффект проявляет себя достаточно сильно в пьезокерамических материалах (преобладает векториальная составляющая), что позволяет создавать на их основе высокочувствительные измерительные преобразователи тепловых потоков.

Рисунок 2.18 Принцип работы пироэлектрического приемника инфракрасного излучения

К числу преимуществ пироэлектрических приемников излучения относятся:

· широкий спектр регистрируемого излучения,

· высокая чувствительность,

· высокое быстродействие,

· способность к работе в области повышенных температур.

Перспективно применение пироэлектрических приемников в области ИК – диапазона. Их используют для детектирования излучения малой мощности, для измерения сигналов лазерного излучения, для высокочувствительного контактного и бесконтактного измерения температуры объектов (порог чувствительности достигает °С). Исследуется возможность использования пироэлектриков для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

Особый интерес вызывает возможность использования пироэлектрических преобразователей для индикации пространственного распределения излучений в системах визуализации ИК – изображений (темновидение). В настоящее время уже созданы пироэлетрические видиконы. Принцип их работы основан на том, что изображение теплового объекта проецируется на мишень, создавая на ней соответствующий зарядовый и потенциальный рельеф, который считывается при сканировании мишени электронным лучом.

 

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться: