actuator

Лекция №11. «Пьезоэлектрические преобразователи. Магнитные актюаторы»

Курс лекций: «Прикладная механика»

Лекция №11: «Пьезоэлектрические преобразователи.

Магнитные актюаторы»

Лектор: д.т.н., доцент И.Е.Лысенко

Лекция №11. «Пьезоэлектрические преобразователи. Магнитные актюаторы»

Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрические преобразователи содержат кристаллы или текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект). Особенностью пьезоэффекта является знакочувствительность, т.е. изменение знака заряда при замене сжатия растяжением и изменение знака деформации при изменении направления поля.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кристаллические вещества: кварц, турмалин, ниобат лития, сегнетова соль и др., а также искусственно создаваемые и специально поляризуемые в электрическом поле поликристаллические материалы (пьезокерамики): титанат бария, титанат свинца, цирконат свинца и др.

Лекция №11. «Пьезоэлектрические преобразователи. Магнитные актюаторы»

Пьезоэлектрические преобразователи позволяют решать многообразные задачи: устройства для измерения механических параметров (усилии, давлений, ускорений, массы, угловых скоростей, моментов, деформаций и т.п.), тепловые приборы (термодатчики, датчики расхода, вакуума, измерители электрических параметров, датчики тепловых потоков), устройства для контроля составов, концентраций газов, влажности, микромасс.

По разрешающей способности и точности эти устройства во многих случаях превосходят преобразователи, выполненные на других физических принципах.

Пьезоэлектрические датчики можно разделить на два крупных класса в зависимости от физических эффектов, лежащих в их основе.

Лекция №11. «Пьезоэлектрические преобразователи. Магнитные актюаторы»

К первому классу относятся датчики, использующие прямой пьезоэффект. Они используются для измерения линейных и вибрационных ускорений, динамических и квазистатических давлений и усилий, параметров звуковых и ультразвуковых полей и др.

Ко второму, не менее обширному классу пьезопреобразователей относятся так называемые резонансные пьезопреобразователи. В их основе может лежать обратный пьезоэффект, а также обратный и прямой пьезоэффекты (резонансные пьезопреобразователе на основе пьезоэлектрических трансформаторов). Кроме того, в их основе лежат другие физические эффекты (тензочувствительность, акусточувствительность, термочувствительность и др.), что позволяет использовать их для измерения статических и динамических давлений и усилий, линейных и вибрационных ускорений, концентраций веществ в газах, вязкости, углов наклона и др.

Лекция №11. «Пьезоэлектрические преобразователи. Магнитные актюаторы»

Физическую природу пьезоэффекта лучше всего рассмотреть на примере наиболее известного пьезоэлектрического кристалла – кварца. Ячейка в целом электрически нейтральна, однако в ней можно выделить три направления, проходящие через центр и соединяющие два разнополярных иона. Эти полярные направления называются электрическими осями или осями X, и по ним направлены векторы поляризации P1, Р2 и Р3.

Лекция №11. «Пьезоэлектрические преобразователи. Магнитные актюаторы»

Если к кристаллу кварца вдоль оси приложена сила Fx, равномерно распределенная по грани, то в результате деформации элементарной ячейки ее электрическая нейтральность нарушается. При этом в деформированном состоянии ячейки сумма проекций векторов Р2 и Р3 на ось Х становится меньше (при сжатии) или больше (при растяжении) вектора P1. В результате появляется равнодействующая вектора поляризации, ей соответствуют поляризационные заряды на гранях. Нетрудно видеть, что. деформация ячейки не влияет на электрическое состояние вдоль оси Y. Здесь сумма проекций векторов равна нулю, так как

P2Y = P3Y.

Лекция №11. «Пьезоэлектрические преобразователи. Магнитные актюаторы»

Образование поляризационных зарядов на гранях, перпендикулярных оси X, при действии силы по оси X называется продольным пьезоэффектом.

При механических напряжениях, приложенных вдоль одной из осей Y (их называют механическими осями), геометрическая сумма проекций векторов Р2 и Р3 на осьY равна нулю, и на гранях пьезоэлемента, перпендикулярных оси Y, заряды не образуются. Однако сумма проекций векторов Р2 и Р3 на ось X оказывается не равной вектору P1. Так, при сжатии пьезоэлемента. , указанная сумма превышает Р1; в результате на нижней грани образуются положительные заряды, а на верхней

– отрицательные.

Лекция №11. «Пьезоэлектрические преобразователи. Магнитные актюаторы»

Рассмотренный эффект образования зарядов на гранях, называется поперечным.

При нагружении по оси Z, перпендикулярной осям X и Y и называемой оптической осью кристалла, кристалл кварца также остается электрически нейтральным. При механическом напряжении сдвига, деформирующем ячейку так, как показано на рисунке, геометрическая сумма проекций векторов Р2 и Р3 на ось X равна вектору P1, направленному по оси X, и на гранях, перпендикулярных оси X, заряд не возникает. Однако проекции. векторов Р2 и Р3 на ось Y не равны, и на гранях, перпендикулярных оси Y, возникает заряд.

Лекция №11. «Пьезоэлектрические преобразователи. Магнитные актюаторы»

Рассмотрение физической природы пьезоэффекта показывает, что при напряженном состоянии кварца заряды принципиально могут возникать между тремя парами граней. Таким образом, поляризационный заряд в кварце является вектором и описывается тремя компонентами. Напряженное состояние характеризуется тензором второго ранга с девятью компонентами.

Пьезоэлектрический модуль, определяющий зависимости заряда от напряженного состояния, является тензором третьего ранга и определяется 27 компонентами.