|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы du-W-KulH 2,0
р,Ом-м -100-100 О 100 200 300 тт°с Рис. 8.1. Зависимость пьезоэлектрической постоянной, относительной диэлектрической проницаемости и удельного объемного сопротивления кварца от температуры ческой постоянной» (рис. 8.1, а). В интервале температур от 20 до 200° С уменьшение коэффициента dii составляет 0,016% на Г С (при более низких температурах изменение коэффициента менее заметно). При нагревании кварца до температуры --576° С он переходит из фазы а в фазу 3, причем возможен обратный переход в фазу р при снижении температуры ниже --576° С. Если же кварц нагреть до температуры плавления, он теряет свои пьезоэлектрические свойства. Изменение относительной диэлектрической проницаемости и удельного объемного сопротивления кварца при изменении температуры до точки Кюри показаны на рис. 8.1, б, в. В то время как диэлектрическая проницаемость очень мало изменяется с изменением температуры, удельное сопротивление изменяется значительно. Это изменение носит монотонный характер и достигает примерно шести порядков при нагревании кварца от комнатной температуры до точки Кюри. Таким образом, кварцевые преобразователи оказываются практически непригодными для квазистатических измерений при высокой температуре окружающей среды. На графиках рис. 8.2 представлены кривые изменения пьезоэлектрической постоянной (рис. 8.2, а), относительной диэлектрической проницаемости (рис. 8.2, б) и удельного объемного сопротивления (рис. 8.2, в) для пьезокерамик иэСтитаната свинца и из цирконата титаната свинца в пределах от -273° С до +250° С. Первое, что обращает на себя внимание, это значительная, по сравнению с кварцем, зависимость пьезоэлектрической постоянной от температуры. Температурные зависимости d,/, е и р наглядно показывают преимущества кварца по сравнению с пьезокерамиками с точки зрения стабильности этих параметров в широком диапазоне температур. Вышеотмечалосьещеодно существенное преимущество кварца- линейная зависимость di, и е от изменения температуры. Наличие линейной зависимости в значительной степени облегчает как введение поправок Б результат измерения, так и автоматическую кор- PZT-SA 100 О £ 3000 2000 1000
-200-100 0 100 ZOO TC Б)
-200-100 0 WO 200 T,°C B) Рис. 8.2. Кривые изменения характеристик для пьезокерамик из титаната свинца и из циркоиа-та титаната свинца рекцию температурных погрешностей чувствительности пьезоэлектрического преобразователя. Таким образом, рассматривая температурные зависимости пьезоэлектрической постоянной, диэлектрической проницаемости и удельного объемного сопротивления можно прийти к заключению, что по этим трем параметрам, функцией которых является чувствительность пьезоэлектрического преобразователя, кварц с точки зрения стабильности и термонезависимости характеристик представляется наиболее подходящим материалом для пьезоэлемента датчика, предназначенного для работы в расширенном диапазоне температур, когда допустимые погрешности составляют не более ±5% и входные сигналы значительны. В случае малых входных сигналов, а также в случае, когда не предъявляется жестких требований по погрешности, предпочтительно использовать в качестве пьезоэлемента высокотемпературные керамики. Таким образом, при выборе пьезоэлектрического материала следует учитывать все имеющиеся в распоряжении исследователя характеристики: пьезоэлектрические коэффициенты йц и gij, диэлектрическую проницаемость е, коэффициент электромеханической связи k, плотность материала р, модуль упругости £ и их температурные свойства. 8.3. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АКСЕЛЕРОМЕТРЫ Наиболее широкое применение пьезоэлектрические преобразователи нашли в датчиках акселерометров. Простейшая конструкция пьезоэлектрического акселерометра схематично изображена на рис. 8.3, а. На основании. / закреплен пьезоэлемент 2 и инерционная масса 3. Преобразователь закрыт кожухом 4 и имеет пружину 5, создающую предварительное поджатие пьезоэлемента. Сила, действующая на пьезоэлемент при ускоренном движении, согласно второму закону Ньютона определяется как F = та, где т - значение инерционной массы, а - значение ускорения. 186   Рис. 8.3. Простейшая конструкция пьезоэлектрического акселерометра и зависимость его поперечной чувствительности от положения Заряд, возникающий на обкладках пьезоэлемента под действием этой силы и равный q = йР = йзта, сохраняется лишь при бесконечно большом входном сопротивлении измерительной цепи. Поскольку это требование , практически невыпол-нимо, то пьезоэлектрические преобразователи используют в подавляющем большинстве случаев для измерения динамических величин. Применительно к акселерометрам это означает измерение вибрационных и других быстроменяющихся ускорений. Чувствительность акселерометра по заряду Sq определяется отношением Sq = qia = datn. Если на акселерометр действует ускорение в направлении, перпендикулярном к оси поляризации пьезоэлемента, то на обкладках его возникают заряды, которые определяют поперечную чувствительность датчика. Поперечная чувствительность зависит от положения акселерометра относительно направления действия ускорения. Как следует из рис. 8.3, б, эта зависимость имеет форму восьмерки. Направление А-А соответствует максимальной поперечной чувствительности, направление В-В - минимальной поперечной чувствительности. Поперечная чувствительность пьезоэлектрических датчиков ускорений в основном определяется непостоянством продольной чувствительности по площади рабочей поверхности пьезоэлемента и отклонением вектора поляризации пьезоэлемента от его геометрической оси Z. Максимальная величина первой составляющей [89] R R где R - радиус пьезоэлемента; hg - расстояние от центра массы инерционного элемента до центра массы пьезоэлемента, - расстояние от оси Z до центра тяжести диаграммы распределения чувствительности- по рабочей поверхности пьезоэлемента. Вторая составляющая 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 [ 60 ] 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||