2. Порядок виконання роботи

1. Скласти схему підключення п’єзотрансформатора.

2. Подати на вхід п’єзотрансформатора за допомогою генератора Г3-106 синусоїдальну напругу амплітудою 1 В.

3. Зняти АЧХ п’єзотрансформатора за допомогою мілівольтметру В3-38 або приладу для дослідження АЧХ Х1-46.

4. Дані занести в таблицю

f, кГц
Uвих, мВ

5. Побудувати амплітудно-частотну характеристику п'єзокерамічного трансформатора.

6. Повторити експеримент для інших зразків п’єзотрансформатора.

3. ЗМІСТ ЗВІТУ

1. Тема і мета роботи.

2. Перелік використаного обладнання.

3. Короткий зміст теоретичних відомостей, основні формули, схема лабораторної установки

4. Робочі таблиці, графіки.

5. Висновок.

4. Контрольні питання

1. Поясніть явище п'єзоефекту.

2. Розкажіть принцип роботи п’єзотрансформатора.

3. Дайте пояснення характерним точкам на АЧХ п’єзотрансформатора.

4. Назвіть типи п’єзотрансформаторів за способом перетворення енергії.

5. Як поділяються п’єзотрансформатори за типом коливань.

5. Література

1. Пьезокерамические трансформаторы и датчики / Шарапов В.М., Минаев И.Г., Сотула Ж.В., Базило К.В., Куницкая Л.Г.; под ред. В.М. Шарапова. – Черкассы: Вертикаль, 2010. – 278 с.

2. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики. – М.: Техносфера, 2006. – 632 с.

3. Плужников В.М., Семенов В.С. Пьезокерамические твердые схемы. –М.: Энергия, 1971.

Лабораторна робота № 5 дослідження п’єзокерамічних суматорів

Мета роботи: ознайомитися з принципом роботи п'єзокерамічних суматорів, дослідити їх характеристики.

Обладнання: макети та дослідницькі зразки п'єзокерамічних суматорів, генератори Г3-106, осцилограф С1-55, мілівольтметр В3-38.

1. Теоретичні відомості

П'єзокерамічні перетворювачі широко застосовуються в гідроакустиці і електроакустиці, в ультразвуковій, медичній, вимірювальній техніці та в інших областях науки і техніки.

Одними з найпоширеніших і необхідних вузлів при побудові елементів порівняння систем автоматики, диференціальних схем і ряду інших функціональних вузлів є суматори. Крім того, такі пристрої здатні виконувати роль сполучних елементів при компонуванні великих діелектричних твердих схем. Причому це або зовсім самостійний елемент, або частина об’єму інтегрального п'єзоелектричного пристрою, де відбувається складання або віднімання стаціонарних або нестаціонарних процесів.

Як відомо, при прикладанні синусоїдального електричного поля до п'єзоелектрика в ньому за рахунок зворотного п'єзоефекту виникають пряма і зворотна біжучі хвилі зсуву, деформації і напруження, які в стаціонарному режимі дають стоячу хвилю. Природно, що якщо збуджувати в об’ємі п'єзоелектрика кілька біжучих хвиль, то, застосовуючи принцип суперпозиції (при збудженні коливань на лінійній ділянці роботи елемента), отримаємо алгебраїчне додавання потоків енергії в кожній точці збуджуваного об’єму.

Вихідний сигнал з об’єму п'єзоелемента виводиться за допомогою вихідного електрода, на якому за рахунок прямого п'єзоефекту індукується заряд, пропорційний сумарному значенню механічного напруження, що діє в області розташування електрода.

Один з варіантів конструкції суматора представлений на рис. 5.1. За режимом роботи він представляє собою п'єзоелектричний трансформатор поперечного типу.

При сумуванні двох напруг однакової резонансної частоти ω і на п'єзоелементі, вид якого представлений на рис. 5.1, отримаємо:

, (5.1)

де:

, (5.2)

. (5.3)

Рис. 5.1. П’єзокерамічний суматор

Тут і – коефіцієнти, що визначають зв'язок за напругою між виходом і кожним із входів. Величини цих коефіцієнтів визначаються геометрією цих електродів і параметрами матеріалу при обраній моді коливань (механічною добротністю, коефіцієнтом електромеханічного зв'язку, п’єзомодулем тощо). Для найпростіших конструкцій сумуючих трансформаторів (брусків, пластин, дисків) величини коефіцієнтів і будуть визначатися співвідношеннями:

и , (5.4)

де А₁, А₂, А – площі вхідних і вихідних електродів; р – постійний для даних конструкцій і матеріалу суматора коефіцієнт; при певних параметрах суматора коефіцієнти можуть мати значення, що істотно перевищують одиницю.

Практичний інтерес представляють випадки, коли або . У цих випадках:

. (5.5)

Для симетричної конструкції . Таким чином,

(5.6)

Для більшого числа n входів, використовуючи метод індукції, отримаємо:

; (5.7)

, (5.8)

де і визначаються за формулами через і тощо. При цьому:

. (5.9)

Одним з основних параметрів ефективності роботи п’єзокерамічних суматорів є коефіцієнт передачі електричного сигналу. Коефіцієнт передачі суматорів – це відношення максимальної амплітуди вихідного сигналу до максимальної амплітуди одного з сигналів, що сумуються.

Для проведення лабораторної роботи був виготовлений дисковий п’єзотрансформатор (рис. 5.2) з п'єзокераміки ЦТС-19 діаметром 30 і товщиною 0,8 мм. Електроди на торцевих поверхнях п'єзоелемента були розділені на п'ять частин – центральний диск 5(5') і зовнішнє кільце, що складається з чотирьох рівних частин 1-4 (1'-4')

Рис. 5.2. Дисковий п’єзотрансформатор

Схема підключення суматора представлена на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Схема підключення п’єзосуматора

П'єзокерамічний суматор містить два генератора електричних коливань G1 і G2, і дисковий мономорфний п’єзотрансформатор (рис. 5.2).

При проведенні експериментів необхідно використовувати генератор Г3-106, осцилограф С1-55 і мілівольтметр В3-38. Вимірювання проводити при впливі на суматор синусоїдальної електричної напруги (u = 1 В).

Типові результати вимірювань наведені на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Осцилограма п’єзосуматора