2.9. Термин “Пьезоактивность”

При разработке и использовании пьезоэлектрических и магнитострикционных преобразователей постоянно имела место конкурентная борьба между ними, а ученые, технологи и инженеры, имевшие дело с ультразвуковыми преобразователями того и дру­гого типа, часто были одними и теми же людьми.

Автор предложил в 1954 г. термин «пьезоактивные»). Этот термин был одобрен инженерами, работающими в области аку­стики, по крайней мере в Японии. Хотя данный термин предла­гается в настоящей книге впервые и по этому вопросу могут быть разные мнения, автор надеется, что читатели будут довольны связанными с употреблением этого термина простотой описаний и удобством при рассмотрении различных явлений.

2.10. Проявление пьезоактивности

Когда никель, кобальт и другие ферромагнитные вещества претерпевают некоторую механическую деформацию, их магнитные свойства изменяются. Титанат бария и другие сегнетоэлектрические вещества под воздействием дефор­мации меняют свои электрические свойства. Механическая дефор­мация кристаллов кварца, сегнетовой соли, ADP и других пьезо­электрических кристаллов приводит к их поляризации.

Если же эти вещества поместить в электрическое поле или магнитное поле, то в них возникнет механическая деформация, вызывающая небольшие изменения размеров тела. Чтобы предот­вратить эти изменения, необходимо приложить внешнюю меха­ническую силу. С другой точки зрения можно считать, что при намагничивании или поляризации вещества в нем возникает механическая сила.

Как прямой, так и обратный эффекты, в которых проявляется связь между упругим и электрическим или магнитным состояниями упомянутых выше веществ, могут быть использованы для преобразования электрической энергии в механическую и обратно. Устройство, осуществляющее такое преобразование, называется преобразователем. В качестве материалов для преобразователей применяются вещества с сильно выраженной связью упругого и электрического или магнитного состояний. Для удобства мы будем называть эти вещества пьезоактивными, а преобразователи из них — пьезоактивными преобразователями.

2.11. Область применения пьезоэлектрических преобразователей

1. Преобразователи, использующие прямой пьезоэффект, применяются в приборах для измерения силы, давления, ускорения.

2. Преобразователи, выполненные из материалов, обладающих пироэффектом, могут быть использованы для измерений тепловой радиации .

3. Преобразователи, использующие обратный пьезоэффект, применяются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний, в качестве преобразователей напряжения в деформацию, например, в пьезоэлектрических реле, пьезовибраторах осциллографов, в качестве обратных преобразователей приборов урав­новешивания и т. д.

4. Преобразователи, использующие одновременно прямой и обрат­ный пьезоэффекты, — пьезорезонаторы, имеющие максимальный коэффициент преобразования одного вида энергии в другой на резо­нансной частоте и резко уменьшающийся коэффициент преобразо­вания при отступлении от резонансной частоты (т. е. высокую доб­ротность), — используются в качестве фильтров, пропускаю­щих очень узкую полосу частот.

Пьезорезонаторы, включенные в цепь положительной обратной связи усилителя, работают в режиме автоколебаний и используются в генераторах. В зависимости от типа кристалла, среза и типа воз­буждаемых колебаний пьезорезонаторы могут выполняться с высокостабильной, не зависящей от внешних факторов собственной час­тотой и с управляемой собственной частотой. Управля­емые резонаторы используются в частотно-цифровых приборах как преобразователи различных, преимущественно неэлектричес­ких величин (температура, давление, ускорение и т. д.) в частоту. Пьезоэлектрические генераторы могут применяться и как ампли­тудные преобразователи, работая в режиме изменения добротности, например, для фиксации соприкосновения колеблющегося кристалла с каким-либо телом. Пьезоэлементы, кроме того, используются в твердых схемах, заменяющих собой целый ряд электрон­ных устройств.

В настоящей главе рассмотрены наиболее широко распростра­ненные преобразователи для измерения сил, давлений и ускорений и обратные преобразователи электрического напряжения в пере­мещение.

2.12.Погрешности пьезоэлектрических преобразо­вателей складываются прежде всего из погреш­ности от изменения параметров измерительной цепи (емкости С_вх), температурной погрешности, вызываемой изменением пьезоэлектрической постоянкой, погрешности вследствие неправильной установки пластин, погрешности из-за чувст­вительности к силам, действующим перпендику­лярно измерительной оси преобразователя, и частотной погреш­ности.

Верхняя граница допустимого частотного диапазона определяется в основном механическими параметрами преобразователя. Пьезоэлектрические преобразователи могут быть выполнены с час­тотой собственных колебаний f₀≈100 кГц, что позволяет измерять механические величины, изменяющиеся с частотой до 7 — 10 кГц.

Заключение

В приведенном выше материале были рассмотрены: теория ультразвука, ультразвуковые преобразователи.

Также были изучено применение ультразвуковых преобразователей для исследования тел. Оказалось что это очень эффективное направление научно-исследовательской работы в данной области.

Контрольные вопросы