Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени академика С.П. КОРОЛЕВА.

Радиотехнический факультет.

Кафедра электронных систем и устройств Реферат на тему:

“Пьезоэлектрические датчики”

Выполнил: студент группы 5105 Нефедов Юрий Николаевич

Принял: к.т.н доцент Медников Валерий Александрович

доцент Меркулов Анатолий Игнатьевич

Самара, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..3

1. История развития пьезоэлектричества……………………………………….. 4

2. Природа пьезоэффекта………………………………………………………… 6

3. устройство пьезодатчиков……………………………………………………. 9

4. Чувствительность пьезодатчика и требования к измерительной цепи……. 10

5. Классификация пьезоэлектрических датчиков……………………………… 11

6. Параметры и характеристики пьезокерамических

материалов и элементов…………………………………………………………13

заключение …………………………………………………………………. 14

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………… 15

ВВЕДЕНИЕ

Пьезоэлектрический эффект (сокращенно пьезоэффект) наблюдается в анизотропных диэлектриках, преимущественно в кристаллах некоторых веществ, обладающих определенной, достаточно низкой симметрией. Пьезоэффектом могут обладать кристаллы, не имеющие центра симметрии, а имеющие так называемые полярные направления (оси). Пьезоэффектом могут обладать также некоторые поликристаллические диэлектрики с упорядоченной структурой (текстурой), например керамические материалы и полимеры. Диэлектрики, обладающие пьезоэффектом, называют пьезоэлектриками.

Пьезоэлектрики являются обратимыми электромеханическими преобразователями, т. е. способны преобразовывать механическую энергию в электрическую и, наоборот, электрическую энергию в механическую. Преобразователи, основанные на использовании прямого пьезоэффекта, называют преобразователями-генераторами; они имеют механический вход и электрический выход. Преобразователи, основанные на использовании обратного пьезоэффекта, называют преобразователями-двигателями; они имеют электрический вход и механические выходы. Известно множество пьезоэлектрических устройств, основанных на использовании как прямого, так и обратного эффектов. Прямой эффект используется, например, в микрофонах, звукоснимателях, датчиках механических сил, перемещений и ускорений, бытовых зажигалках для газа и др. Обратный эффект послужил основой для создания телефонов, громкоговорителей, ультразвуковых излучателей, реле, двигателей и т. п.

1. История развития пьезоэлектричества.

История развития пьезоэлектричества насчитывает более 120 лет. В 1880 г. Пьер и Жак Кюри обнаружили, что под воздействием си­лы на поверхности некоторых материалов возникают электрические заряды. Этот эффект впоследствии был назван прямым пьезоэффектом, электричество, вызванное механическим давлением — пьезо­электричеством, а материалы, в которых происходит это явление — пьезоэлектрическими (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.).

Г. Липман в 1881 г. предсказал, что электрическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому материалу, должно вызывать в нем механическое напряжения и упругие деформации, что было доказано экспериментально П. и Ж. Кюри. Это явление было на­звано обратным пьезоэффектом: слово «пьезо» (piezo) заимствовано из греческого и означает «давлю».

Практическое применение пьезоэлектрического эффекта нача­лось с 1917 г., когда французский математик и физик Поль Ланже-вен предложил использовать ультразвуковой эхолокационный прибор для обнаружения подводных объектов. В этом приборе в качестве излучателя и приемника ультразвуковых сигналов использовались кварцевые пластинки, вмонтированные между стальными накладка­ми, понижающими резонансную частоту преобразователя. Вна­чале ультразвуковой локатор Ланжевена использовался в качестве эхолота. Дальнейшее его усовершенствование привело к созданию современных ультразвуковых эхолокаторов, широко применяемых для обнаружения различных подводных препятствий, в том числе и подводных лодок.

Вскоре после изобретения Ланжевена появились первые разра­ботки пьезоэлектрических микрофонов, телефонов, звукоснимате­лей, приборов для звукозаписи, устройств для измерений вибраций, сил и ускорений и т.д.

Следующим важным этапом в истории применения пьезоэлектри­чества было использование пьезоэлектрических пластинок и стерж­ней в качестве элементов, стабилизирующих частоту электронных высокочастотных генераторов. Это применение основано на силь­ной зависимости электрического импеданса пьезоэлемента от часто­ты вблизи механического резонанса, на что впервые обратил внима­ние У. Кэди в 1922 г.

В 1925 г. пьезоэлектрическая пластинка была впервые применена для измерения акустических свойств вещества: Г. Пирс использовал ее в акустическом интерферометре для измерения скорости ультра­звука в газах.

Важным этапом применения пьезоэлектричества для практиче­ских целей было открытие возможности обнаружения внутренних дефектов в твердых телах при помощи ультразвуковых волн. При­оритет в этой области принадлежит отечественной науке: в 1928 г. С. Я. Соколов получил авторское свидетельство СССР на изобрете­ние первого ультразвукового дефектоскопа.

Следующим шагом в использовании пьезоэлектрических преобра­зователей в ультраакустических исследованиях веществ было разви­тие методов измерения скорости и поглощения ультразвука, осно­ванных на эффекте дифракции света на ультразвуковых волнах. Этот эффект открыли в 1932 г. Р. Дебай и Ф. Сире и незави­симо от них Р. Люка и П. Бикар. Работы, в которых этот метод использовался для измерения скорости и поглощения ультразвука в жидкостях и твердых телах, начали появляться начиная с 1936 г.

В 1944 г. в физическом институте им.Лебедева АН СССР Б. М. Вул и И. П. Гольдман впервые в мире методом синтеза получили пьезо-керамический титанат бария (ВаТiОз). На основе титаната бария, предварительно поляризованного в сильном электрическом поле, вскоре были разработаны первые пьезокерамические электро­акустические преобразователи, которые сразу привлекли к себе внимание сильно выраженными пьезоэлектрическими свойствами, простотой технологии изготовления преобразователей различных конфигураций и сравнительной дешевизной исходных материалов.

Быстрыми темпами расширялись области применения пьезоэлек­трических преобразователей в послевоенные годы. Появился целый ряд новых областей, таких как ультразвуковые линии задержки, ультразвуковая медицинская терапия и диагностика, уровнемеры, приборы для непрерывного промышленного контроля физико-хими­ческих свойств веществ и другие приборы, в которых широкое при­менение нашли пьезоэлектрические преобразователи, совершающие продольные колебания по толщине. Вместе с тем актуальной ста­ла разработка более эффективных электроакустических преобразо­вателей. Поэтому во многих странах большое внимание уделялось разработке новых пьезоэлектрических материалов.