ФПНЭВ / chapter_04

 Тема 4 Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине«ПЕРВИЧНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

В СИСТЕМАХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ»для специальности: «1-38 02 03 Техническое обеспечение безопасности». Оглавление | Программа | Теория | Практика | Контроль знаний | Об авторах Оглавление Теория Содержание

Раздел 1 Тема 1

Тема 2

Раздел 2 Тема 3

Тема 4

Тема 5

Тема 6

Тема 7

Тема 8

Тема 9

Тема 10

Тема 11

Тема 12

Раздел 3 Тема 13 Тема 14

Тема 15

Раздел 4 Тема 16

Тема 17

Тема 18

Раздел 5 Тема 19

Тема 20

Тема 21

Практика Лабораторные Лабораторная №1 Лабораторная №2 Лабораторная №3 Лабораторная №4 Практиктические Практиктическая №1 Практиктическая №2

Контроль знаний

Раздел 2: "Основные физические принципы функционирования датчиков" Тема 4: "Пьезоэлектричесикй, пироэлектрический и электретный эффекты" Пьезоэлектрический эффект заключается в образовании в кристаллическом материале электрических зарядов при приложении к нему механических напряжений. Этот эффект наблюдается в природных кристаллах, таких как кварц (химическая формула Si02), поляризованных керамических материалах и некоторых полимерах, например, в поливинилиденфториде.

Рис. 3.21 Пьезоэлектрический эффект кварцевого кристалла  

В 1927 году А. Мейснер [3] предложил упрощенную модель для объяснения пьезоэлектрического эффекта. Кристалл кварца в этой модели представлен в виде элементарных ячеек, состоящих из атомов Si и спаренных атомов 02 (рис. 3.21). Кварцевый кристалл имеет срезы вдоль осей х, у и z. На рис. 3.21 показано поперечное сечение вдоль оси z- В элементарную монокристаллическую ячейку входят три атома кремния и шесть атомов кислорода. Каждый атом кремния обладает четырьмя положительными зарядами, а каждая пара атомов кислорода — четырьмя отрицательными (по два на атом). Поэтому без приложения механических напряжений кварцевая ячейка является электрически нейтральной. Когда вдоль оси х прикладывается внешняя сила Fx, кристаллическая решетка деформируется. На рис. 3.21Б показано, как сдавливающая сила сдвигает атомы кристалла таким образом, что положительный атом кремния перемещается на одну сторону решетки, а отрицательно заряженная пара атомов кислорода — на другую. В результате чего вдоль оси у наблюдается перераспределение зарядов. Если кристалл растянуть вдоль оси х (рис. 3.21В), в результате деформации растяжения заряды перераспределятся вдоль оси у в противоположном направлении. Эта упрощенная модель показывает, как на поверхности кристаллического материала могут образовываться электрические заряды в ответ на приложенное механическое воздействие. Подобное объяснение может быть дано пироэлектрическому эффекту, описанному в этом же разделе.

Рис. 3.22 Пьезоэлектрический датчик, сформированный при помощи электродов, нанесенных на поляризованный кристалл  

Пьезоэлектрический эффект является обратимым физическим явлением Это означаем что  приложенное к кристаллу электрическое напряжение приводит к появлению механической деформации Если разместить на кристалле несколько электродов и на одну пару из них подать напряжение, на остальных парах электродов будет накапливаться заряд, сформированный из-за возникшей деформации Такой прием достаточно широко применяется в разных типах пьезоэлектрических преобразователей

Пьезоэлектрический эффект можно оценить через вектор поляризации [4]

Р=Рxx+ Рvv +Рu   (3.64)

Пьезоэлектрические кристаллы являются прямыми преобразователями механической энергии в электрическую. Эффективность такого преобразования может быть выражена через, так называемый, коэффициент связи кmn

    (3.67)

Эти коэффициенты являются очень важными характеристиками для случаев, где необходимо обеспечивать высокую эффективность передачи энергии, например, в акустических и ультразвуковых датчиках.

Величина заряда, генерируемого на поверхности пьезоэлектрического кристалла, пропорциональна силе, приложенной, например, в направлении оси х.

(3.68)

Рис. 3.25 Параллельное (А) и последовательное (В) соединения слоев в пьезоэлектрическом датчике и их соответствующие эквивалентные схемы (Б и Г)

"Пьезоэлектрические пленки" Пьезоэлектрические пленки обладают следующими уникальными свойствами:

Широким частотным диапазоном: 0.001...109 Гц

Большим динамическим диапазоном: 10 8...106psi (фунтов на квадратный дюйм) или от мкТорр до Мбар

Низким акустическим импедансом: близким к воде, человеческим тканям и клеевым составам

Высокой упругой податливостью

Высоким выходным напряжением: в 10 раз выше, чем у пьезокерамики при одинаковых приложенных силах

Высокой электрической прочностью диэлектрика: выдерживают поля до 75 В/мкм, при которых большинство пьезокерамических материалов теряют поляризацию

Высокой механической прочностью и ударостойкостью: 109...1010 пределов прочности

Высокой стабильностью: устойчивостью к влажности (влагопоглощение менее 0.02%), большинству химических реактивов, окислителям, мощному ультрафиолетовому (УФ) и ядерному излучениям

Из них можно получать структуры произвольной формы

Их можно соединять обычными клеями.

"Пироэлектрический эффект" Пироэлектрики — это материалы с кристаллической структурой, в которых при воздействии на них тепловым потоком появляются электрические заряды. Пироэлектрический эффект очень близок к пьезоэлектрическому эффекту. Поэтому многое из того, что было изложено в предыдущем разделе, справедливо и для пироэлектриков. Подобно пьезоэлектрикампироэлектрики используются в виде тонких пленок, с противоположных сторон которых нанесены электроды для сбора индуцированных теплом зарядов (рис. 3.26). Пироэлектрический детектор можно представить в виде конденсатора, электрически заряжающегося от потока тепла. Такой датчик не нуждается ни в каких внешних сигналах возбуждения, ему только требуется соответствующая интерфейсная электронная схема для измерения заряда. В отличие от термопар (термоэлектрических устройств), на выходе которых появляется постоянное напряжение, когда два спая различных металлов находятся при стационарной, но разной температуре (см. раздел 3.9), в пироэлектриках формируется заряд в ответ на изменение температуры.

выходящий тепловой поток   Рис. 3.26 Пироэлектрический датчик имеет два электрода, расположенных на противоположных сторонах кристалла.  

Любой пироэлектрик можно представить в виде композиции большого числа кристаллитов, каждый из которых ведет себя как маленький электрический диполь. Все эти диполи имеют произвольную ориентацию (рис. 3.23А). При температуре, превышающей точку Кюри, у кристаллитов нет дипольного момента. Изготовление пироэлектриков аналогично производству пьезоэлек-триков (см. раздел 3.6).

Существует несколько механизмов, объясняющих, почему изменение температуры приводит к возникновению пироэлектричества. Изменение температуры может привести к удлинению или укорачиванию отдельных диполей. На ориентацию диполей может повлиять их возбуждение от повышения температуры. Эти явления получили название первичного пироэлектричества. Существует также вторичное пироэлектричество, которое в упрощенном виде можно считать следствием пьезоэлектрического эффекта (например, возникновение напряжения в материале из-за теплового расширения). На рис. 3.26 показан пироэлектрический датчик, имеющий одинаковую температуру Т0в любой точке объема. Будучи электрически поляризованными, диполи ориентированы так, что одна сторона материала становится положительно заряженной, а вторая — отрицательной. Однако в стационарных условиях свободные носители зарядов (электроны и дырки) нейтрализуют заряды, возникшие вследствие поляризации, и конденсатор, образованный электродами и пироэлектриком, разряжается (рис. 3.23В), что приводит к появлению нулевого заряда на выходе датчика. Тепло на сенсор может поступать в виде теплового излучения, которое поглощается нижним электродом и распространяется по пироэлектрику, используя механизм теплопроводности. Нижний электрод иногда покрывают теплопоглощающим слоем из черненого золота или органического красителя. В результате поглощения тепла нижняя часть сенсора нагревается (его новая температура становится равной T1), что приводит к его расширению, что, в свою очередь, вызывает изгиб датчика. Появившаяся деформация означает возникновение механического напряжения и, следовательно, изменение ориентации диполей. Поскольку материал сенсора также обладает и пьезоэлектрическими свойствами, его напряженное состояние приводит к появлению на электродах противоположных по знаку зарядов. Отсюда видно, что вторичный пироэлектрический эффект можно описать следующей последовательностью событий: тепловое излучение —> поглощение тепла —> механическое напряжение, индуцированное теплом —>электрический заряд.

Дипольный момент М объемного пироэлектрического датчика можно найти по выражению:

(3.72)

гдеμ— дипольный момент на единицу объема, А — площадь датчика, h - его толщина. Заряд Qa, собранный на электродах, приводит к появлению в материале следующего дипольного момента:

M0=Qah  (3.73)

M должен быть равен М0, поэтому

Qa = μA   (3.74)

Поскольку температура меняется, дипольный момент тоже не остается постоянным, что и приводит к индуцированию заряда.

Количество поглощенного тепла можно выразить через изменение диполь-ного момента, при этом ц зависит как от температуры Г, так и от приращения тепловой энергии AW, поглощенной материалом:

  (3.75)

На рис. 3.27 показан пироэлектрический детектор, подсоединенный к резистору Rb, отображающему либо внутреннее сопротивление утечки, либо входное сопротивление интерфейсной схемы, подключенной к выходу датчика. В правой части рисунка показана эквивалентная электрическая схема такого сенсора. Она состоит из следующих трех компонентов: (1) источника тока /, приводящего к появлению тепла (необходимо помнить, что ток — это движение электрических зарядов), (2) емкости детектора Си (3) сопротивления утечки Rb.

Пироэлектрический эффект характеризуется двумя коэффициентами [21]:

где Ps — спонтанная поляризация (другими словами, электрический заряд), Е - напряженность электрического поля, а Т— температура в Кельвинах. Отношение двух коэффициентов можно выразить через диэлектрическую проницаемость εr. и электрическую постоянную ε0:

  (С) БГУИР