Дослідження п'єзокерамічних резонаторів і трансформаторів

Мета роботи: вивчити особливості конструкції, властивості, характеристики та параметри п'єзокерамічних резонаторів і трансформаторів.

Обладнання: генератор сигналів низькочастотний ГЗ-106, два мілівольтметра ВЗ-38, стенд для дослідження п'єзорезонатора, стенд для дослідження п'єзотрансформатор.

Теоретичні відомості

По призначенню діелектричні матеріали поділяються на пасивні, ті що використовуються в якості ізоляції, та активні, властивості яких залежать від прикладеної напруги.

До активних діелектриків відносяться п’єзоелектричні матеріали, яким властиві прямій і зворотний п’єзоефект.

Прямий п’єзоефект полягає в тому, що при стиску або розтяганні пластини п’єзоелектричного матеріалу на її протилежних поверхнях наводяться електричні заряди протилежного знаку. Це відбувається в результаті поляризації п’єзоелектрика.

Зворотний п’єзоефект полягає в тому, що при прикладенні до пластин п’єзоелектрика постійної напруги вона деформується, а під впливом змінної напруги пластина п’єзоелектрика коливається з частотою прикладеної напруги.

П’єзоелектрики це кристалічні матеріали які можуть бути природного походження (кварц, турмалін) і синтетичного (сегнетова сіль, титанат барію, цирканат свинцю, ніобат літію і т.д.). П’єзо матеріали синтетичного походження називаються п’єзокерамікою, і мають перевагу в порівнянні з монокристалами, в тому, що з них можливо виготовляти активні елементи будь якої форми та розміру.

Властивості п'єзокерамічних матеріалів характеризують такі параметри:

• коефіцієнт електромеханічного зв’язку ;

• діелектрична проникливість ;

• добротність матеріалу (величина, обернена тангенсу діелектричних втрат). Добротність є енергетичний коефіцієнт, що являє собою відношення реактивної потужності коливальної системи до активної потужності;

• швидкість розповсюдження в матеріалі пружних механічних хвиль (швидкість звуку) ;

• частотна постійна , яка дорівнює добутку лінійного розміру резонатора на резонансну частоту коливань;

• температура Кюрі . При температурі п'єзоелектричні властивості у п'єзоелектрика зникають за рахунок руйнування доменної структури тепловим рухом;

• густина матеріалу ;

• модуль пружності (при стисканні чи розтягуванні – модуль Юнга ) чисельно дорівнює механічній напрузі, яка виникає в зразку при одиничній відносній деформації, тобто це коефіцієнт пропорційності між механічним напруженням та відносною деформацією, причому для напрями натискування та деформації збігаються;

• коефіцієнт Пуансона – відношення відносної поперечної деформації до відносної поздовжньої деформації. Зазвичай зміна розмірів зразка в одному напрямі викликає його деформацію в усіх інших напрямах.

Перетворювачі з прямим п’єзоефектом використовуються для вимірювання сили тиску, у звукознімачах. Перетворювачі зі зворотнім п’єзоефектом використовуються для стабілізації високочастотних коливань в якості випромінювачів ультразвукових коливань та інше.

Перетворювачі з одночасним прямим та зворотнім п’єзоефектом це п’єзорезонатори які мають максимальний коефіцієнт перетворення одного виду енергії в інший на резонансній частоті і різке зменшення коефіцієнта перетворення при відхиленні від резонансної частоті.