Пьезоэлектрические преобразователи.

Пьезоэффект был открыт в 1880 г. братьями Жаком и 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 пьезоэффект.

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

Пьезоэлектричество наблюдалось как в монокристаллических материалах (кварц), так и в поликристаллических материалах (керамика). Основной материал для преобразователей – пьезокерамика.

В пьезоэлектрических материалах соотношение между электрическим полем с интенсивностью E, результирующим полем D и механическим натяжением T, и результирующей деформацией S в материале описывается выражением:

- коэффициент упругой податливости материала (коэффициент упругой деформации);

- диэлектрическая восприимчивость материала;

Индексы E и T обозначают, что эти величины измеряются при постоянной механической силе и электрическом поле соответственно. Символом d обозначен 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 пьезоэлектрический коэффициент заряда материала [м/В].

Другой коэффициент называется пьезоэлектрическим коэффициентом напряжения, обозначается буквой g и также используется для установления связи между механическими и электрическими характеристиками.

g [В*м/Н]

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

При низких частотах ниже частоты механического резонанса материала является мерой количества энергии, приложенной в одной из форм механической или электрической, которая преобразуется в другую форму.

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

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

Пьезоэлектрические преобразователи наиболее широко применяются для измерения вибраций. Выход от этих преобразователей необходимо согласовывать по уровню и форме сигнала, прежде, чем они будут использоваться в дальнейшем. Обычно эта согласующая цепь размещается внутри измерительного устройства.

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), объемные (приемники на p-n переходах).

В фотоэлектронных устройствах, например в фотоумножителе 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 300÷2500 В. Их преимущество состоит в том, что они имеют наилучшую частотную характеристику из всех датчиков и высокую чувствительность. Спектральный диапазон чувствительности фотоэлектронных датчиков изменяется от 100 до 1000 нанометров выбором материала катода. Подобные приборы называются также приборами с использованием фотопроводимости.

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 мВт	50 мВт	400 мВт	2 Вт
Время Переключения	1÷100 мс	0,1 мкс	1÷100 мкс	1 нс ÷ 1 мкс	2÷100 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÷2,2	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;