Piezoszonáns átalakítók - stadopedia
A piezoelektromos rezonátort alakítjuk feszültség a két elektróda között a deformáció és a mechanikai feszültségek a piezoelektromos elem, amely válaszreakcióját kiváltó a reakció-edik kimenetre formájában díjak az elektródákon fellépő mechanikai feszültség. A piezoelektromos hatás visszafordíthatósága lehetővé teszi egy piezo-resonátor végrehajtását két-terminális hálózat formájában, amely összekapcsolja a mechanikai rezgések elektromos gerjesztési rendszereit és elektromos jel eltávolítását. A piezoelement rezonancia oszcillációi az álló ultrahanghullámok létrehozásából származnak. hullámhossz
ahol u az ultrahang terjedési sebessége; f a sugárzási frekvencia.
Az ultrahang terjedésének sebességét az anyagban a következő képlet határozza meg:
ahol Eij a rugalmas konstans; r az anyag sűrűsége. Következésképpen a hullámhossz
Ha az L hullámhossz olyan, hogy a h hullámok között azok a felületek, amelyekből a hullámok visszaverődnek, akkor a félhullámok egész számát egymásra rakják, majd a piezoelektromos cellaben állandó hullámokat hoznak létre. Így az állóhullámok megegyeznek az izgalmas feszültség frekvenciájával
ahol n a felhalmozódott félhullámok száma.
Az oszcillációs frekvencia, amelyen egy félhullám h honnára halmozódik, az alapfrekvencia és egyenlő
Olyan frekvenciákon, amelyek lényegesen kisebbek, mint a fK. az izgalmas elektródák áramkörében lévő áram (2-19. ábra, a) kicsi, és főleg a C0 elektróda kapacitása és az R0 elektródák közötti szigetelési ellenállás határozza meg.
Mivel az izgalmas feszültség frekvenciája közeledik a frekvencia fR-hez, a mechanikai rezgések amplitúdója növekszik. Az oszcillációk amplitúdójához viszonyítva az elektródák töltése nő, és a piezoelektromos elem deformációi által okozott váltakozó áram komponense nő az áramkörben.
Az 1. ábrán. A 2-19b egyenértékű piezo-rezonátor áramkört mutat. Ebben a rendszerben egyenértékű paraméterek kerülnek bevezetésre: az induktivitás LK = mIk 2em, a CK = nk 2em kapacitás és az RK ellenállás, amelyek az egyenértékű áramkör dinamikus áramkörét képezik. Az 1. ábrán látható áramkör. 2-19, b szabadon oszcilláló egységet, azaz mechanikusan kirakott, pieziszonátor (rövidzárlatos üzemmód, amelynél a piezoelektromos elem külső erők felületén lévő erők nulla). Az 1. ábrán látható áramkör. 2-19, figyelembe veszi a külső terhelések hatását a beépített ellenállás formájában. amelyeknek lehetnek tisztán aktívak (például ha a külső közegben akusztikus sugárzás veszteségeket mutatnak) és reaktívak (például, ha további tömeget csatlakoztatnak a piezoelementhez). A gátolt állapotban, amikor a piezoelektromos elem felületének elmozdulási sebessége nulla, a Za ellenállás egyenlő a végtelenséggel (üresjárati üzemmód). Az üresjáratban közeli üzemmódban piezoelektromos nyomás és gyorsulásérzékelők működnek, amelyek közvetlen piezoelektromos hatást alkalmaznak. Ezért ezeknek az érzékelőknek a megfelelő áramkörében a dinamikus ágat általában nem veszik figyelembe.
Az ekvivalens áramkör vezetőképessége (2-19., B. Ábra):
Az ideális piezoresonátor (R0 = ¥, RK = 0) esetén a vezetőképesség fokozatosan növekszik az 1 - w 2 LKCK = 0 feltétel mellett, azaz. a wR = frekvencián. a soros rezonancia frekvenciának nevezik. Ezt a frekvenciát kizárólag a bevezetett dinamikus áramkör paraméterei határozzák meg, és ezáltal egybeesik a korábban meghatározott mechanikai rezonancia frekvenciával.
Az ideális piezoresonátor vezetőképessége végtelenül csökken a j wC0 + feltétel mellett. gyakorisággal. a párhuzamos rezonancia (és néha az antirrezonancia gyakorisága).
Az egymást követő és párhuzamos rezonanciák frekvenciái közötti relatív különbség (wP - wK) / wK = SC / (2C0). A kvarc pieziszonátorok esetében a kapacitív arány nem haladja meg az SC / C0 = 10 -2 - 10 -3 értéket, és a wR frekvencia legfeljebb 0,5% lehet a wK frekvenciánál. Ennek megfelelően a párhuzamos rezonancia frekvenciájának változása a C 0 további kapacitásának a rezonátorral párhuzamosan történő összekapcsolásával, és ezáltal a C0 kapacitás növelésével legfeljebb 0,1-0,01% lehet.
Valódi piezoresonátorban a wK és wP frekvenciákon az áramkör vezetési képességei nem azonosak a végtelenséggel és a nulla értékkel, véges értékűek, beleértve az aktív komponens mellett egy kis reaktív komponenst is. Ezért a piezo-rezonátor meghatározásához két további frekvenciát vezetnek be, amelyeknél a vezetőképesség tisztán aktív. Ezen frekvenciák egyike a rezonancia frekvencia, és valamivel magasabb, mint a wK frekvencia. A második (wa) -ot az antiresonancia frekvenciájának nevezik, és kissé a wP frekvenciája alatt van. A kontúr vezetőképességének vektordiagramja a jellemző pontok jelzésével a 3. ábrán látható. 2-19 az
Az áramkör fontos jellemzője a Q-faktor
amelyet az oszcilláció során bekövetkező energiaveszteségek határozzák meg. A CO-egyre veszteség tartalmazza: tényleges veszteség a kvarc, a veszteség az elektróda anyagok, veszteség akusztikus sugárzás a környezetbe, a veszteség a határ a rezgő elem és a rögzített-nek rögzítő elemek, a veszteség a bemeneti erősíthető eleme RE-cal áramkört. Elméleti jósági tényezője kvarc rezonátor, ha csak a veszteséget a kvarc, elérheti a meghatározott érték a kapcsolatban Qfr = 1,2 × 10 13. megjelenítése Q rezonátorok struktúrájától függ [1].
A piezo-rezonancia-frekvencia-érzékelő egy piezorezonátoron alapul, amelynek frekvenciája a mért mennyiség hatására változik. A frekvenciaváltás történhet:
a) a hőmérséklet hatására, amely befolyásolja a kvarc geometriai méreteit, sűrűségét és főleg rugalmasságát;
b) a rezonátor mechanikai igénybevételének vagy deformációjának hatására, ami szintén h, r és n változást okoz;
c) amikor a rezonátorhoz hozzáadunk egy további tömegt, amely megváltoztatja h vastagságát és az átlagos sűrűséget r.
Ennek megfelelően hőérzékeny, törzsérzékeny és tömegérzékeny piezoszonátorokat különböztetünk meg. Ezenkívül amplitúdó kimenettel rendelkező piezo-rezonancia-érzékelőket is használnak. Ezekben az érzékelőknél, amelyek a rezonanciahez közeli frekvencián működnek, az oszcillációk amplitúdója változik az akusztikai veszteségek változásával.
Konstrukciójánál érzékelő piezoresonance nyilvánvaló követelmények piezo rezonátor: egy magas Q-faktor, magas érzékenység, hogy a mért érték, az alacsony érzékenység destabilizáló tényezők és a lehetőséget a betétek a vibrációs gerjesztés csak egy frekvencia, azaz monofrequency. Ezek a követelmények vannak ellátva, mindenekelőtt az ilyen típusú vágott piezoelektromos elem és a rezgés gerjesztett a piezoelektromos elem. Valóban, ha figyelembe vesszük az Y-vágott lapot, akkor a mező Y tengely irányába történő alkalmazása során benne az e5 és e6 deformációk. deformáló egy piezoelektromos elem XZ (nyíró deformációt felülete mentén) a síkban, és az xy síkban (nyíró deformációt vastagságú). A rezonanciafrekvenciát meghatározó geometriai méretek azonban ezeknél az esetekben eltérőek. A természetes frekvenciája nyírórezgés felülete mentén jelentősen alacsonyabb, mint a frekvencia a vastagsága nyírórezgés, és bla Godard monofrequency ez a feltétel kielégítően teljesülnek. A szabályozott piezo rezonátor leggyakrabban használt vastagsága nyírórezgés (jóllehet más típusú oszcilláció), mert az ilyen típusú oszcilláció rezgési energia koncentrálva etsya a subelectrode területe a piezoelemet. Az elektródák perifériális területei gyakorlatilag mentesek az elasztikus rezgésektől, ami lehetővé teszi a piezoelektromos elem rögzítését feltűnően romló Q-értékek nélkül. Csillapítás rezgési amplitúdó r'h „/ (RH) = 0,02 (r” és H „- elektród vastagság és a sűrűség, r és h -plot-ség és a vastagsága piezoelektromos elem) távoli ponton az elektród szélei 15 órán át. nem kevesebb, mint 40 dB. Lencse-rezonátor használata esetén az energia lokalizációjának hatása még nagyobb lehet.