Лабораторная работа №5 «исследование пьезоэлектриков»

1 Цель работы

Изучение основных свойств пьезоэлектриков и определение параметров пьеозоэктрических материалов.

2 Общие сведения

Пьезоэлектрикипредставляют собой кристаллы, в которых отсутствует центр симметрии и под действием механических напряжений возникает электрический момент. К таким материалам относятся кварц, сегнетова соль, турмалин и др. Зависимость поляризации Р от механического напряженияимеет вид

(1)

где d_ij- пьезомодуль. Все величины, входящие в уравнение (1), являются тензорами.

Основными параметрами, характеризующими свойства пьезоэлектриков, являются компоненты пьезомодулей, модуль Юнга, температура Кюри, скорость звука, коэффициент электромеханической связи и др.

Пьезоэлектрики находят применение в генераторах и фильтрах электромагнитных колебаний, линиях задержки, датчиках и других приборах.

Для изучения свойств пьезоэлектрических материалов удобнее всего использовать пьезоэлектрические резонаторы, представляющие тобой пластинки пьезозлектриков с электродами, нанесенными на две противоположные грани. При совпадении частоты внешних электрических колебаний с собственной акустической резонансной частотой происходит резкое увеличение добротности резонатора. Этот эффект в пьезорезонаторах изучается в данной работе.

3 Методика выполнения работы

Определение основных параметров пьезоэлектрика производится путем намерения резонансной f_pи антирезонансной f_ачастот.

Внешнее переменное напряжение подают в точку А. Входное и выходное напряжение измеряются в точках В и С, соответственно. Контролируется также разность фаз напряжений в этих точках. Измерения проводятся тоже с помощью осциллографа (разность фаз оценивается по фигурам Лиссажу), либо с помощью милливольтметра и фазометра. Входное напряжение около 200 мВ, выходное - 10-50 мВ.

Рис.6 Схема установки для исследования свойств пьезоэлектриков

(ПР - пьезоэлектрический резонатор)

Резонансная частота f_pсоответствует максимальному выходному напряжению при минимальной разности фаз. Антирезонансная частота соответствует минимальному выходному напряжению и минимальной разности фаз.

Значение механической добротности Q_мопределяют по формуле:

,

где R = R_з(U_вx/ U_вых- 1), Cпр =₀S / h;=4.6 ; S и h - относительная диэлектрическая проницаемость, площадь и толщина пьезоэлектрика, соответственно.

Значение пьезомодуля d определяют по формуле:

[Кл/Н],

где = 2650 кг/м³- плотность пьезоэлектрика.

Скорость звука, характеризующую распространение механических (акустических) колебаний в кристалле, определяют по формуле:

.

4 Порядок выполнения работы

1. Измерить величину резонансной и антирезонансной частоты пьезоэлектрического резонатора. Измерения проводятся 4-5 раз. Определить средние значения частот.

2. Повторить измерения п. 1 для значения входного напряжения, отличающегося на ± 10%.

3. Вычислить значения механической добротности, пьезомодуля и скорости звука в кристалле.

Вопросы для самостоятельной работы

1. Сущность пьезоэлектрического эффекта. Основные характеристики пьезоэлектрических материалов.

2. Пьезоэлектрические резонаторы. Основные параметры и их связь с характеристиками пьезоматериалов.

3. Виды пьезоэлектрических материалов, применение пьезоэлектриков.

Дополнительная литература

1. Глюкман Л. И. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы. – М.: Радио и связь, 1981. – 232 с.

2. Интегральные пьезоэлектрические устройства фильтрации и обработки сигналов. Справочное пособие / Под ред. Б. В. Высоцкого. – М.: Радио и связь, 1985. - 176 с.

3. Орлов В. С., Бондаренко В. С. Фильтры на поверхностных акустических волнах. - М.: Радио и связь, 1984. - 272 с.