Лекция № 8 от 11.04.2005 Пьезоэлектрические преобразователи.

Пьзоэффект был открыт в 1880 г. братьями Жаном Пьером Кюри. Он связывает механическую деформацию в кристалле с возникшим в нем электрическим сигналом. Электрическое напряжение приложенное к пьезоэлектрическому кристаллу вызывает его механическую деформацию и наоборот, механическое воздействие на кристалл порождает в нем электрическое напряжение. Это и есть прямой и обратный пьзоэффект.

Пьзоэлектричество наблюдалось в кристаллах, которые не имеют центра симметрии. 21 класс кристаллов не обладает такой симметрией и свыше 1000 кристаллических материалов демонстрируют пьзоэлектрический эффект.

Пьзоэлектричество наблюдалось как в монокристаллических материалах (кварц), так и в поликристаллических материалах (керамика).

В пьзоэлектрических материалах соотношение между электрическим полем с индукцией E результирующим полем D и механическим натяжением T, и результующей деформацией S в материале описывается выражением:

- коэффициент упругости, податливости материала;

- диэлектрическая восприимчивость материала;

Индексы E и T обозначают, что эти величины измеряются при постоянной механической силе и электрическом поле соответственно, если d обозначает заряд на единицу приложенного давления при постоянном электрическом поле. Этим же символом обозначается механическое натяжение на единицу приложенного поля при постоянном давлении, d – представляет собой пьзоэлектрический коэффициент заряда материала [м/В].

Другой коэффициент называется пьзоэлектрическим коэффициентом напряжения, обозначается буквой g и также используется в выражении связывающих между собой механические и электрические параметры материала.

g [В*м/н]

Самым известным коэффициентом связывающим электрические и механические параметры в материале является коэффициент электромеханической связи пьзоэлектрического устройства – k.

- мера количества энергии, приложенной в одной из форм механической или электрической, которая преобразуется в другую форму.

Пьзоконстанты d, g и k зависят от направления приложения механической силы или электрического поля в кристалле.

Пьзоконстанты записываются с двумя индексами, где первый указывает направление генерированного поля, а второй напряжение приложенного механического напряжения.

Пьзоэлектрические преобразователи наиболее широко применяются для измерения вибрации. Выход от этих преобразователей необходимо согласовывать по уровню и форме сигнала, прежде, чем он будет использоваться. Обычно эта согласующая цепь размещается внутри корпуса преобразователя.

Лекция № 9 от 18.04.2005 Оптические преобразователи.

В настоящее время, создано большое число различных оптических преобразователей, работающих на различных методах. Во многих типах преобразователей для приема и передачи света используются оптические волокна. Часто свет модулируется измеряемой величиной. Все оптические преобразователи имеют в своем составе две компоненты:

1. Источник света;

2. Фотоприемник;

Мы рассмотрим только основные типы фотоприемников. Это – фотоэлектронные (ламповые) приемники, приемники без p_n переходов, приемники на p_n переходах.

В фотоэлектронных устройствах например в фото умножителе анодный ток пропорционален интенсивности падающего света. Недостатком подобных датчиков являются их большие габаритные размеры и довольно высокая стоимость. Они требуют, для работы достаточно высокое напряжение от 300 ÷ 2500 В. Их преимущество состоит в том, что они имеют наилучшею частотную характеристику из всех датчиков и высокую чувствительность. Спектральный диапазон чувствительности фотоэлектронных датчиков изменяется от 100 до 1000 нанометров выбором материала катода.

Схема, работа лампового фотодатчика самостоятельно.

Основные характеристики фотоприемников.

Параметр	Фотосопротивление	Фотоэлемент	Фотогальванический элемент	Фотодиод	Фототранзистор	Фототиристор
t max, 0C	75	80	150	125	125	100
U max, В	1000	2800	0,5	200÷2000	100	200
I max	1 А	10 мА	1 А	5 мА	50 мА	1,5 А
Рассеиваемая мощность	20 Вт	0,01÷1 Вт	400 мВ	50 мВ	400 мВ	2 Вт
Время переключения	1÷100 мс	0,1 мкс	1÷100 мкс	1 нанос ÷ 1 мкс	2÷50 мкс	2 мкс
Максимальная рабочая частота	1 кГц	10 МГц	50 кГц	10 МГц	100 кГц	1 кГц
Рабочий уровень падающего излучения, мВт/см2	0,001÷70	10-9÷1	0,001÷1000	0,001÷200	0,001÷20	2÷200
Максимальная спектральная чувствительность, мкм	0,6÷0,2	0,1÷1	0,8÷0,85	0,8÷0,85	0,8÷0,85	0,8÷0,85
Стабильность *	3	2	1	2	2	2
Габариты*	3	4	3	1	2	2

* - наилучшее значение единица;