Презентация Пьезоэлектрические преобразователи онлайн

Содержание слайда: Лекция №10 Пьезоэлектрические преобразователи Пьезопреобразователи – электромеханические преобразователи, принцип действия которых основан на пьезоэлектрическом эффекте – явлении возникновения электрической поляризации под действием механических напряжений: прямой пьезоэффект или эффект Кюри; обратный пьезоэффект, эффект Джоуля. Для изготовления пьезопреобразователей используют следующие классы анизотропных материалов: анизотропные кристаллы естественного происхождения; синтетические кристаллы: сегнетова соль, ниобат лития; поляризованные поликристаллические сегнетоэлектрики (пьезокерамика типа ЦТС – цирконат-титанат свинца); пьезополимерные пленки ПВДФ.

Содержание слайда: Пьезоэлектрические преобразователи Пьезоэлектрические свойства преобразователей характеризуют константами, связывающими механические величины: напряжение и деформацию с электрическими: напряженностью электрического поля и электрической индукцией . Система уравнений, описывающих работу пьезопреобразователя, должна включать: уравнение движения упругой среды; уравнения, связывающие механические напряжения и деформации; уравнения для прямого и обратного пьезоэффектов. Так как все пьезоэлектрики существенно анизотропны, их свойства зависят от направления относительно кристаллических осей, поэтому для описания свойств пьезоэлектрических материалов используют тензорные представления теории электроупругости.

Содержание слайда: Пьезоэлектрические преобразователи Тензор деформаций, как и тензор напряжений, характеризуется девятью компонентами, представимыми в форме матрицы: Вторая запись матрицы, учитывающая равенство компонент более удобна, в ней компоненты соответствуют линейным деформациям растяжения – сжатия, а компоненты – сдвиговым деформациям. Такая же запись используется и для тензора напряжений, записываемого в виде условного 6-мерного вектора , где первые три компоненты соответствуют нормальным напряжениям, а три вторые – сдвиговым.

Содержание слайда: Пьезоэлектрические преобразователи Упругие свойства пьезоэлектриков описываются законом Гука: где коэффициенты – константы упругости, общее число которых из-за формализации сокращается до 36. Диэлектрические свойства кристаллов выражаются тензором диэлектрической проницаемости , связывающим между собой компоненты векторов индукции и напряженности электрического поля в пьезоэлектрике: Отметим, что значения компонент тензора зависят от условий механического нагружения пьезоэлемента.

Содержание слайда: Пьезоэлектрические преобразователи Пьезоэлектрические константы: Пьезоконстанта давления , связывающая напряженность электрического поля с величиной механического напряжения : Размерность константы . Индекс характеризует направление ориентации электрического поля, а индекс – направление воздействия механических напряжений, причем для нормальных напряжений в направлении пространственных осей используют индексы 1, 2, 3, а для сдвиговых в тех же направлениях – индексы 4, 5, 6.

Содержание слайда: Пьезоэлектрические преобразователи Пьезоэлектрические константы: Пьезоконстанта деформации , определяющая величину напряженности электрического поля при единичной деформации пьезоэлемента: Размерность 3. Пьезомодуль , дающий величину деформации пьезоэлемента в направлении , вызванной электрическим полем единичной напряженности в направлении : , Размерность

Содержание слайда: Пьезоэлектрические преобразователи Пьезоэлектрические константы: Пьезоэлектрическая константа , характеризующая механические напряжения в пьезоэлементе при возбуждении в нем электрического поля единичной напряженности (размерность ): Существуют еще четыре соотношения, из которых могут быть определены пьезоэлектрические константы . Так, пьезомодуль является коэффициентом пропорциональности между электрической индукцией и механическим напряжением в соответствии с уравнением, описывающим прямой пьезоэффект:

Содержание слайда: Пьезоэлектрические преобразователи Важнейшие характеристики пьезоэлементов: Частотная постоянная , численно равной половине скорости звука в материале преобразователя: Коэффициент электромеханической связи , характеризующий эффективность преобразования электрической энергии в механическую и обратно. 3. Температура Кюри , при нагреве выше которой пьезоэлектрические свойства преобразователей исчезают. 4. Скорость звука в материале датчика, определяемая константами упругости и плотностью материала; 5. Относительная диэлектрическая проницаемость материала пьезодатчика , определяющая его собственную емкость.

Содержание слайда: Пьезоэлектрические преобразователи Пьезоэлементы из разных материалов, имеющие простую геометрическую форму (пластина, диск, стержень), определенным образом ориентированы относительно осей , условно обозначаемых цифрами 1, 2, 3. Пластина кварца, например, вырезается так, что ось кристалла (ось 1) совпадает с ее толщиной (кварц среза). Пластина керамики ЦТС изготавливается так, что ось поляризации (ось , ось 3) ориентирована перпендикулярно граням, на которые нанесены электроды, и тоже совпадает с толщиной пластины. Если при определенных типах колебаний преобразователей ориентация механических напряжений и электрических полей совпадает, соответственно совпадают и индексы и в соотношениях для пьезоконстант.

Содержание слайда: Пьезоэлектрические преобразователи Прямой пьезоэффект для кварцевой пластины среза, деформируемой по толщине, в статическом режиме описывается выражением: где разность потенциалов, возникающая на электродах; напряженность электрического поля в пластине; толщина пластины; механическое напряжение, деформирующее пластину; пьезоэлектрическая константа давления кварца. Величина деформации в пьезокерамической пластине из пьезокерамики типа ЦТС толщиной при прикладывании внешней разности потенциалов определится из выражения: