- •1 План выполнения работ в период практики
- •2 Описание работ, выполненных в период практики
- •2.1 Изученные материалы
- •2.2 Выполнение индивидуального задания
- •3 Вывод
- •4 Список литературы
- •Завод ооо Аврора-биниб сегодня
- •Каталог пьезокерамических изделий
- •1. Звонки пьезокерамические
- •2. Все звонки работают от генератора импульсных колебаний.
- •2. Оповещатели
- •3. Прочие изделия
- •Дискретные полосовые фильтры фп1п1-60
- •Дискретные полосовые фильтры фп1п1-61
- •Электрофизика пьезоэлементов.
- •4.1. Пьезоэлектрический эффект
- •4.2. Обратный пьезоэлектрический эффект
- •Электрические схемы генераторов.
- •1.1. Эквивалентная схема пьезоэлектрического резонатора
- •Дискретные пьезокерамические фильтры
- •Основные потребители продукции ооо «Аврора-биниб»
- •Перспективные направления разработок изделий на основе пьезокерамики
Электрические схемы генераторов.
1.1. Эквивалентная схема пьезоэлектрического резонатора
Пьезоэлектрический резонатор (ПР) — разновидность преобразователей электромеханического типа. Основа пьезорезонатора — механический вибратор из кристаллического или поликристаллического пьезоэлектрического материала, выполняемый обычно в виде элемента правильной формы (прямоугольной пластины, диска, стержня и т.д.). На вибратор (пьезоэлемент) наносится система из двух или более электродов, используемых для возбуждения в нем механических колебаний. Для соединения с источником электрической энергии ПР снабжается токоподводами, а для фиксации в присоединенной конструкции — элементами крепления. В основе работы пьезоэлектрического резонатора лежит пьезоэффект, обеспечивающий преобразование входного электрического напряжения, подводимого к электродам, в механическое напряжение в теле вибратора (обратный пьезоэффект), и .ответную реакцию по выходу в виде зарядов на электродах, возникающих в результате деформаций вибратора под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект). Обратимость пьезоэлектрических преобразователей позволяет выполнять элемент в виде двухполюсника, объединяющего системы электрического возбуждения механических колебаний и съема электрического сигнала, пропорционального их амплитуде.
Как всякое упругое твердое тело, пьезовибратор обладает набором собственных частот механических колебаний. Спектр собственных частот определяется размерами и конструктивным выполнением вибратора и электродов, способом крепления, упругими свойствами пьезоматериала и типом деформаций элемента в процессе колебаний [2, 3].
Для того чтобы заданный тип колебаний мог быть возбужден, необходимо, чтобы электрическое поле, создаваемое при подводе электрического сигнала, возбуждало на основе обратного пьезоэффекта соответствующий тип деформаций в теле вибратора. Пьезоэлектрические материалы анизотропны, их электрофизические и механические свойства неодинаковы по различным направлениям, поэтому в конкретном пьезорезонаторе электрически, через пьезоэффект, возбуждается только часть из собственных частот механических колебаний.
Вдали от частот резонанса ток в цепи возбуждающих электродов мал и определяется в основном межэлектродной емкостью. По мере приближения частоты возбуждающего напряжения к частоте одного из возбуждаемых пьезоэлектрических резонансов — /р пьезовибратора — амплитуда механических колебаний растет, достигая максимума на этой частоте. Пропорционально возрастает и заряд на электродах. Полярность зарядов Q изменяется с частотой входного сигнала, в результате через пьезоэлемент протекает переменный ток, пропорциональный амплитуде механических колебаний.
Если рассматривать резонатор как электрический двухполюсник, на вход которого задается переменное напряжение Uчастотой /, а выходной характеристикой является ток I в цепи электродов, го резонатор можно характеризовать комплексным сопротивлением Z = U/I, зависящим от частоты.
Вблизи частоты резонанса значение |Z| минимально, и через резонатор протекает максимальный ток.
С точки зрения принципа действия измерительных преобразователей, рассматриваемых в настоящей работе, прирезонансная область электрической амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) пьезо- резонатора — наиболее существенная часть его частотного спектра.
Для определения АЧХ пьезорезонатора и его эквивалентной схемы в прирезонансной области воспользуемся универсальным методом У. Мззона, применимым к электромеханическим преобразователям любого типа, в том числе и к пьезоэлектрическим резонансным устройствам. Согласно методу, подробно рассмотренному в [2], для построения эквивалентной схемы пьезопреобразователя необходимо составить уравнение движения вибратора и уравнение пьезозффекта. Если задаться граничными условиями на двух активных поверхностях резонатора, го после интегрирования можно получить систему из грех уравнений, описывающих электрические и механические процессы в преобразователе. На основе этих уравнений строится эквивалентная схема преобразователя, имеющая в одномерном приближении одну пару электрических и две пары механических зажимов и "идеальный" электромеханический трансформатор, позволяющий связать электрическую и механическую цепи преобразователя. Следующий этап заключается в переходе от "смешанной" эквивалентной схемы, в которой процессы на одной стороне характеризуются электрическими токами, напряжениями и сопротивлениями, а на другой — механическими усилиями и колебательными скоростями, к однородной эквивалентной схеме, все элементы которой имеют вне зависимости от физической природы смысл сопротивлений (активных и реактивных). Для этого перехода используется метод аналогий между механическими и электрическими величинами и объектами (табл. 1.1).
В результате использования метода аналогий любой тип пьезопреобразователя, у которого нагружены только две рабочие поверхности (одномерный случай'), может быть описан эквивалентной схемой одного из двух видов, различающихся между собой единственным элементом — статической емкостью —С0 (рис. 1.1). При закороченной емкости —С0 схема справделива для преобразователей, в которых упругие волны распространяются перпендикулярно по отношению к электрическому полю возбуждения. Идеальный электромеханический трансформатор характеризуется коэффициентом N, определяемым как отношение статической внешней силы к возбуждаемому ею внутреннему электрическому напряжению. Коэффициент трансформации N зависит от конструкции преобразователя, типа колебаний и определяется упругими, пьезоэлектрическими и диэлектрическими свойствами материала.
С практической точки зрения интерес представляет работа преобразователя в трех режимах:
в заторможенном, или режиме холостого хода, при котором скорости смещений поверхностей равны нулю, а комплексные сопротивления нагрузки бесконечны (i/j =U2 =0; ZM1 = ZM2 =°°);
в непогруженном, или режиме короткого замыкания, при котором усилия Fx и F2, действующие на поверхности, и комплексные сопротивления нагрузки равны нулю (F, =F2 = Zm1 =Zm2 =0);
в промежуточном режиме, при котором скорости и силы на поверхности имеют конечные значения.
Таблица 1.1
Механические величины и объекты |
Электрические величины и объекты |
Сила/7 |
Электрическое напряжение U |
Скорость смещения V |
Электрический ток / |
Механическое сопротивление |
Электрическое сопротивление |
ZM = F/V |
= U/1 |
Поверхность |
Соединительные зажимы |
Масса М |
Индуктивность L |
Податливость S |
Емкость С |
Заторможенный пьезопреобразователь. Для этого режима "зажимы" на механической части разомкнуты (ZM = <»),и эквивалентная схема содержит единственный элемент — статическую межэлектродную емкость С0.
Ненагруженный преобразователь- Примером такого преобразователя служит резонатор, работающий в вакууме. В этом случае механические зажимы замкнуты (ZMi i =0) и схема упрощается. При условии
электромеханический трансформатор оказывается закороченным в механической части. Этому условию соответствует режим последовательного резонанса, при котором ток / максимален.
Для нахождения эквивалентной схемы ненагруженного преобразователя вблизи частоты основного резонанса сор воспользуемся соотношением
Нагруженный преобразователь. Третий из рассматриваемых режимов, рбжим нагруженного преобразователя, характеризуется наличием акустической нагрузки (F1j2 Ф 0; t/1>2 Ф 0). Акустическая нагрузка Za одной рабочей поверхности может быть чисто реактивной, изменяющей только эквивалентную податливость колебательной системы, чисто активной, изменяющей потери энергии резонатора на излучение, а также комплексной, влияющей одновременно и на податливость, и на эквивалентные потери резонатора. Вопрос о влиянии акустической нагрузки рассмотрен ниже (см. § 2.4 и гл. 7). Здесь же уместно указать, что нагруженный резонатор может быть представлен эквивалентной схемой, аналогичной схеме ненагруженного пьезорезонатора, при внесении соответствующих поправок на численные значения емкости Ск (податливость) и сопротивление RK (потери).
Анализ эквивалентной схемы. В большей части спектра реактивная проводимость носит емкостный характер, и только в узком диапазоне частот fr - fa резонатор ведет себя подобно индуктивности. На частотах fr и fr реактивная составляющая полной проводимости равна нулю. Низшую из этих частот fr принято называть частотой резонанса, верхнюю fa — частотой антирезонанса.
Две другие частоты fs и fp характеризуются тем, что на первой из них (fs) наблюдается максимум проводимости в динамической ветви LK, Ск, RK, на второй fp — ее минимум. Частоту fs называют частотой последовательного резонанса. Эта частота совпадает с частотой механического резонанса пьезовибратора и, таким образом, характеризует наиболее точно механические свойства пьезорезонатора:
Приложение Г