Главная - Литература

[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

Энергия

С момента выхода в свет первого издашя книги "Пьезорезонансные датчики" прошло более десяти лет. За эти годы пьезорезонансные методы измерений получили дальнейшее развитие. Сегодня практически во всех передовых промышленных странах мира освоен выпуск датчиков этого типа и приборов на их основе.

Предлагаемое читателю второе издание книги написано с учетом достижений в рассматриваемой области в последние годы. Структура книги не претерпела значительных изменений. Как и в первом издании, в книге в систематизированной форме изложены основы теории, методов построения и рассмотрены вопросы практического применения пьезорезонансных датчиков. •

В дополнение к первому изданию в текст введен ряд новых разделов. Один из них посвящен рассмотрению пьезорезонан-CHbtx датчиков на основе преобразователей поверхностных акустических волн (ПАВ)) Дагшки на ПАВ, активно разрабатываемые в последнее время, открывают новые возможности в технике измерений.

На развитие практически всех отраслей приборостроения сегодня большое воздействие оказывает применение микропроцессоров и ЭВМ. Эта техника поднимает на новый уровень и пьезорезонансный метод измерений. Достижения в этой области также нашли отражение в работе. В книгу введены многочисленные примеры новых схемно-конструктивных решений пьезорезонансных датчиков, расширен и круг рассматриваемых вопросов теории этих приборов. Заметно обновлена библиография. Желающие ознакомиться с работами, выполненными до 1975 г., могут обратиться к библиографии первого издания [1]. Значительная часть книги переработана и дополнена с учетом результатов, полученных автором и коллективом, в котором он работает.

Можно уверенно говорить о том, что пьезорезонансные методы сформировались сегодня в самостоятельное, интенсивно развивающееся направление, играющее важную роль в



технике измерений. Большой вклад в становление этого направления внесли своими работами канд. техн. наук В.Н. Симонов, В.М. Макаров, Ю.Г. Орлов, О.А. Макарова, В.Е. Ива. щенко, В.И. Бутурлин, Ю.И. Гладков, СФ. Травкина, А.П. Ру-денков и инж. М.В. Волков, В.Ф. Семенов, В.Д. Козловский, СА. Арабей.

Хочется высказать признательность всем товарищам, любезно предоставившим возможность включить в книгу результаты своих исследований, в первую очередь канд. физ.-мат. наук СН. Кондратьеву и канд. техн. наук И.Е. Сыро-молотнову, В.Ю. Снитко. Автор будет благодарен за отзывы и замечания, которые просит направлять по адресу: 113114, Москва, М-114, Шюзовая наб. 10, Энергоатомиздат.

Автор

ВВЕДЕНИЕ

В современной технике стабилизации частоты ведущее место занимают пьезоэлектрические приборы. По совокупности важнейших показателей - диапазону рабочих частот, добротности, временной и температурной стабильности, воспроизводимости параметров, габаритам, массе, а также стоимости - пьезоэлектрические резонаторы далеко обогнали другие типы электромеханических резонансных преобразователей.

Современное производство пьезоэлектрических резонаторов характеризуется высоким уровнем технологии и базируется на использовании групповых методов изготовления изделий, характерных для микроэлектроники. Производство пьезоприборов постоянно растет, и в настоящее время объем выпуска этих изделий достигает сотен миллионов штук в год.

Постоянно расширяются и области применений пьезоприборов резонансного типа.

Если раньше основной сферой применений пьезорезонаторов были радиотехнические системы и устройства связи, то сегодня рынок этих устройств решающим образом определяется потребностями часовой промышленности, микропроцессорной техники, производством товаров культурно-бытового назначения.

Бурный прогресс пьезоэлектроники за последние десятилетия создал хороший фундамент для развития перспективного направления в технике измерений - пьезорезонансных датчиков, работа которых основана на управлении параметрами пьезорезонаторов и других типов пьезоприборов резонансного типа внешними воздействиями.

Первые попытки применения пьезорезонаторов в технике измерений физических величин относятся к концу 40-х годов нашего столетия. Практическое распространение датчики на основе управляемых пьезорезонаторов стали получать позже, лишь в начале 60-х годов. Именно в это время был достигнут существенный прогресс в разработке пьезоэлектрических устройств стабилизации частоты, вошли в практику цифровые методы измерений частоты и стал проиодиться в промышленных масштабах искусственно выращиваемый пьезокварц.

Сегодня группа пьезорезонансных датчиков, по многообразию решаемых задач одна из наиболее обширных, включает большое чиото



средств измерения механических параметров (усилий, давлений, ускорений, массы, угловых скоростей, моментов, деформаций и т.п.), тепловых приборов (термодатчиков, датчиков расхода, вакуума, измерителей электрических параметров, датчиков тепловых потоков), устройств для контроля составов, концентраций газов, влажности, микромасс. Пьезорезонансные методы широко используются в экспериментальных исследованиях. По разрешающей способности и точности эти устройства во многих случаях превосходят преобразователи, выполненные на других физических принципах. В первую очередь это относится к измерениям механических величин, температуры, микровзвешиванию.

Реализованы приборы с погрешностями в пределах сотых долей процента и порогом чувствительности 10"* -10" от верхнего предела измеряемой величины. Приборы с пьезорезонансными датчиками находят применение в качестве переносных вторичных эталонов.

Техника пьезорезонансных датчиков постоянно совершенствуется. В последние годы созданы новые разновидности чувствительных элементов, использующих пьезопреобразователи на поверхностных акустических волнах, составные и камертонные пьезорезонаторы объемного типа.

Расширяется й область применений этих датчиков. Они используются в производстве и научных исследованиях, встраиваются в технологическое оборудование, применяются для контроля микроклимата и параметров окружающей среды, в робототехнике, медицине, авиационной и космической технике и во многих других областях.

ГЛАВА 1

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫХ ДАТЧИКОВ

1.1. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА

Пьезоэлектрический резоштр (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 пьезо-материала 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 пье30резонаторе 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



[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



0.0109