6.7.2 Пьезокерамические элементы

На рис. 6.7 показаны типичные пьезоэлектрические элементы из пьезокерамики. Поликристаллическая структура пьезокерамики позволяет формировать элементы сложной конфигурации.

Рис. 6.7

Эти элементы предназначены для использования в качестве чувствительных элементов для измерения переменного давления, силы звука, виброускорения, силовых нагрузок. Они применяются в измерителях расхода жидкости и газа, в датчиках уровня жидкости. Эти элементы могут быть использованы в гидролокаторах в качестве излучающих и принимающих элементов.

Существуют различные виды пьезокерамических материалов, работающих в широком диапазоне температур. Часто в основе пьезокерамики лежит свинец в сочетании с цирконатом или титанатом, или висмут в сочетании с ниобатом или титанатом. Минимальный размер пьезоэлемента может составлять 50 мкм.

Таблица 6.1 представляет некоторые технические параметры, характеризующие пьезокерамические элементы.

Таблица 6.1

Тип керамики	Рабочая температура 0С	Пьзомодуль (приT=250C) 10-12Кл/Н	Пьезочувтви-тельность пКл/Н	Изменение тензочувстви-тельности 10-4 1/0C
Титанат-цирконат свинца	-254 …+300	300	≥ 500	2
Титанат висмута	-254 …+500	20	≥ 60	0.6
Ниобат-титанат висмута	-254 …+700	10	≥ 10	2

Глава 7. Пьезорезонансные тензодатчики

В пьезоэлектрических элементах наблюдается прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. В первом случае силовое воздействие вызывает электрический сигнал на электродах, а во втором – приложение электрического сигнала к электродам вызывает механическую деформацию.

При периодическом электрическом воздействии на элемент, в нём наблюдается периодическое изменение деформации. Максимум деформации наблюдается в условиях механического резонанса. При этом между гранями элемента возникает стоячая ультразвуковая волна. На отрезке h между гранями укладывается целое число полуволн. Минимальная частота колебаний (основная частота) определяется формулой

, где h – расстояние между гранями элемента, Е – константа упругости, ρ – плотность материала. С такой же частотой на электродах создаются заряды, вызванные прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Если к электродам приложено напряжение с частотой f<<f_m, то ток в цепи определяется сопротивлением между электродами R₀ и межэлектродной ёмкостью С₀. По мере увеличения частоты увеличивается амплитуда механических колебаний и, соответственно, возрастает переменный ток, вызываемый деформациями.

Этот эффект может быть представлен эквивалентной электрической цепью, содержащей индуктивность L_m, ёмкость C_m и сопротивление R_m.

7.1 Частотные свойства пьезоэлемента

Эквивалентная электрическая схема пьезоэлектрического элемента переведена на рис. 7.1.

Рис. 7.1

Электрические параметры эквивалентной схемы представляют:

• C₀ - статическая емкость между электродами;

• L_m - эквивалентная механическая индуктивность, пропорциональная массе пьезоэлемента;

• C_m - эквивалентная емкость, обратно пропорциональная жесткости пьезоэлемента;

• R_m - эквивалентное механическое сопротивление, пропорциональное механическим (тепловым) потерям.

Проводимость эквивалентной схемы определяется выражением

.

В идеальном случае (R₀=∞, R_m=0) проводимость контура стремится к бесконечности при частоте последовательного резонанса

. (7.1) Эта частота совпадает с частотой механического резонанса f_S=f_m.

Проводимость контура равна нулю при частоте параллельного резонанса (антирезонанса)

. (7.2)

В пьезоэлементах выполняется соотношение f_S < f_P. Реактивное сопротивление пьезоэлемента имеет ёмкостной характер, если частота входного воздействия f < f_S или f > f_P. Режим индуктивного сопротивления наблюдается, когда f_S < f < f_P. Зависимость реактивного сопротивления от частоты приведена на рис. 7.2.

Рис. 7.2.

Интервал между резонансными частотами определяется как разница между частотой параллельного резонанса f_p и частотой последовательного резонанса f_s. Относительный интервал с учётом (7.1) и (7.2) определим как

, где m = C_m/C₀.

В пьезоэлементах величина m<<1. Например, значение m для кварца определяется, как m = 4×10^-3.

В реальных элементах (R₀∞, R_m0) на проводимости имеют конечное значение, содержащее как активную, так и реактивную составляющую. Чисто активная проводимость наблюдается на частоте резонанса f_r > f_S и частоте антирезонанса f_a < f_P. У кварца относительные разности резонансных частот пренебрежимо малы: