Материал: 00368

Изменение коэффициентов преобразования ПЭП происходит и на высших частотах. Здесь оно обусловлено механическим резонансом преобразователя, а точнее — резонансными явлениями в системе, включающей наряду с ПЭП и соприкасающиеся с ним элементы конструкции. Уточнение сделано потому, что резонансная частота этой системы почти всегда значительно ниже, чем резонансная частота самого

ПЭП. Резонансные явления приводят к тому, что начинает изменяться жесткость К, а следовательно, и емкость ПЭП в соответствии с (2,3). В результате совместного действия обеих причин коэффициент преобразования резко возрастает в резонансной области, далее уменьшается и затем становится, вообще говоря, совершенно непостоянным из-за множества резонансов в системе. Поэтому основной режим функционирования ПЭП — дорезонансный, хотя в отдельных случаях они работают в резонансной области, которую можно сделать более или менее широкой конструктивными мерами. В той части резонансной области, где подъем только начинается (а это и есть рабочий диапазон частот ПЭП), амплитудно-частотная характеристика любой системы возрастает с частотой, как (1-f²/f²₀)^-1, где f₀ — частота резонанса. Обычно считают допустимым подъем на 10... 12%, что выполняется при f<f₀/3. Такова верхняя граница частотного диапазона ПЭП, которую, правда, можно несколько повысить введением частотной коррекции сигнала в усилителе.

Динамический диапазон ПЭП является, по крайней мере, одним из самых широких среди всех преобразователей и может превосходить 120 дБ (миллион раз). Уровень собственных шумов, ограничивающий его снизу, в обычных условиях эквивалентен двум-трем десяткам микровольт, а для монокристаллических ПЭП при низких температурах его можно вообще не учитывать. С противоположной стороны границей динамического диапазона будет уровень механического воздействия на ПЭП, при котором начинает нарушаться пропорциональность причины и следствия. Можно считать, что этого еще не наблюдается при напряжении, меньшем модуля упругости примерно на три порядка, т.е. составляющем около 10⁸ Н/м. Правда, в реальной конструкции преобразователя диапазон может ограничиваться не пьезоэлектриком, а каким-то другим фактором, и поэтому быть несколько уже.

Зависимость свойств ПЭП от внешних условий. В большинстве случаев можно разделить на частные зависимости от каждого из этих условий в отдельности, мало влияющие друг на друга. Рассмотрим наиболее важные из них.

Температура влияет на все свойства пьезоэлектрика. Кроме точки Кюри, важное значение имеют температурные зависимости пьезомодуля ниже точки Кюри, диэлектрической проницаемости, а также сопротивления изоляции, поскольку все они влияют на качество работы ПЭП. Общей тенденцией при возрастании температуры от нормальной является рост диэлектрической проницаемости и падение сопротивления изоляции, причем первая растет более плавно, а скорость уменьшения сопротивления постепенно увеличивается. Пьезомодуль зависит от температуры более сложным образом. Для кварца, например, он почти постоянен при температурах до 600 °С, далее снижается все более резко. У некоторых используемых керамик он сначала возрастает на 15...20%, затем падает. Что же касается температур ниже нормальной, то там уменьшаются и пьезомодуль, и проницаемость, а сопротивление растет. Ясно, что в области, где d≈const, следует использовать режим короткого замыкания ПЭП. В других же случаях следует оценить поведение отношения d/E. Если оно мало меняется с температурой, выгодно использовать напряжение ПЭП. Это относится, в частности, к температурам ниже минус 100 °С. При повышенных температурах этот режим применим, пока сопротивление изоляции остается достаточно большим. Температурный диапазон современных ПЭП простирается до 600. ..700 °С.

Сказанное относится к случаю, когда температура меняется очень медленно. Но возможны и более резкие изменения — скачки или перепады температуры, на которые ПЭП реагирует непосредственно сигналом импульсного вида. Последний обусловлен главным образом тепловой деформацией ПЭП. Наиболее подвержены этому воздействию ПЭП из материалов, в которых пьезозаряд при всестороннем сжатии не равен нулю, а рабочей деформацией является растяжение-сжатие. Менее чувствительны к перепаду температуры ПЭП, работающие на изгиб и особенно на сдвиг. Однако влияние перепада температуры не ограничивается прямым воздействием на преобразователь: гораздо сильнее может влиять неравномерная тепловая деформация сопряженных с ПЭП элементов конструкции, в которой он используется.

Магнитное поле практически не действует на пьезоэлектрики.

Пьезоэлектрический преобразователь нередко работает при воздействии радиоактивных излучений. Современные керамические пьезоэлектрики в высокой степени устойчивы к ним и могут длительное время функционировать даже в канале реактора (допустимая доза нейтронов до 10¹⁹ см^-2 и более). Поскольку воздействие радиации неизбежно ведет к нагреву, важное значение имеет и теплостойкость ПЭП.

Измерение переменных давлений часто производится на фоне статического давления гораздо более высокого уровня. Большинство материалов реагируют на это снижением пьезомодуля, однако, стабилизированные пьезокерамики могут выдерживать без заметного ухудшения свойств давления до 60. ..70 МПа.

С течением времени изменяются свойства всех пьезоматериалов. что называют старением. Менее других подвержены ему монокристаллические ПЭП, а наиболее заметно стареют керамики с высокой пьезоактивностью. Поэтому изготовленные ПЭП подвергают искусственному состариванию, при котором значения пьезомодулей снижаются, но зато становятся более стабильными — годовой уход характеристик порядка одного процента.

Конструкция ПЭП во многом определяется тем, в каком качестве он будет применяться. Проще всего ПЭП, воспринимающий одномерную деформацию. Так как он должен оказывать минимальное противодействие ей, ПЭП имеет вид плоской пластинки минимальной толщины и малой ширины, т.е. полоски, закрепляемой на объекте тем или иным способом. Так как электроды параллельны направлению деформации, в керамическом ПЭП должен применяться пьезомодуль d₃₁ Монокристаллический же ПЭП может быть вырезан так, что при его растяжении работает один из сдвиговых пьезомодулей.

Пьезоэлектрический преобразователь, реагирующий на силу, чаще всего выполняется в форме круглой или прямоугольной пластины (рис.4).

Рис.4. Пьезоэлементы с рабочими пьезомодулями d₃₃ (а), d₃₁ (б) и d₁₅ (в).

Рис.5. Изгибный пьезозлемент (би-морф). Стрелками показаны электриче­ские оси.

Рис.6. Сдвиговый кольцевой пьезоэлемент.

Если сила действует на поверхности электродов перпендикулярно к ним, то применяется пьезомодуль d₃₃, а если сила вызывает изгиб пластины, то — пьезомодуль d₃₁. Легко видеть, что изгиб одиночной пластины вызывает в ней деформации, симметричные относительно нейтральной (срединной) плоскости, но разного знака, так что пьезоэффект проявиться не должен. Поэтому изгибный ПЭП состоит из двух пьезоэлементов, скрепленных между собой и расположенных так, что электрические оси направлены в одну сторону (рис.5). Тогда при изгибе деформация каждого пьезоэлемента будет только растяжением или только сжатием, причем знаки зарядов на внешних электродах будут совпадать, так что электроды можно соединить между собой и снимать сигнал относительно общего электрода. Такой ПЭП называют биморфным или просто биморфом. Если же сила при работе направлена в плоскости пластины, вызывая ее сдвиг, работает пьезомодуль d₁₅ или комбинация других сдвиговых пьезомодулей. Другим вариантом конструкции ПЭП с использованием сдвига является кольцевой пьезоэлемент (рис.6) с электродами на цилиндрических поверхностях и электрической осью, направленной вдоль геометрической оси.

Рис.7. Схемы, иллюстрирующие влияние наводок: а — один из электродов заземлен; б, в — оба электрода изолированы.

Естественно, что такой элемент может быть выполнен лишь из керамики.

Отдельную группу керамических ПЭП составляют многослойные элементы, созданные с целью увеличения помехоустойчивости в реальных условиях. Если дополнить эквивалентную схему рис.3 источником электрических помех, наводимых через паразитную емкость C_П, то получим схему рис. 7.а, из которой видно, что напряжение помехи на нагрузке ПЭП равно U_ПC_П/(С+С_Н+С_П). Так как напряжение ПЭП передается в нагрузку ослабленным в (С+С_Н+С_П)/С раз, то отношение сигнала к помехе равно UC/U_ПC_П. Легко видеть, что оно будет таким же при использовании заряда. Следовательно, увеличение емкости ПЭП очень выгодно. Особенно это важно при использовании высокотемпературных материалов с малой проницаемостью. Если вместо одного пьезоэлемента толщиной h установить n элементов толщиной h/n, соединенных электрически параллельно (pиc.8) то емкость этого составного ПЭП увеличится в n² раз, заряд — в n раз. Напряжение упадет в n раз, а отдаваемая энергия не изменится. Следовательно, отношение сигнала к помехе возрастет в n² раз, а еще появится возможность во столько же раз уменьшить сопротивление нагрузки, что увеличит устойчивость к воздействию паров жидкостей. Конечно, простая сборка тонких пластин в пакет не дает заметного эффекта и не технологична. Многослойные ПЭП изготавливаются по особой технологии, так что все слои пьезокерамики спекаются вместе с проводящими слоями и соединениями в монолит. По такой технологии изготавливаются уникальные малогабаритные ПЭП с емкостью около 100 нФ из керамики ЦТС и емкостью около 1 нФ из высокотемпературной керамики (рис.9).

Рис.7. Пакетный пьеэоэлемент.

Рис.9. Монолитный многослойный пьезоэлемент: 1 — активные слои; 2, 3 — защитные накладки.

Повышение помехоустойчивости ПЭП. При эксплуатации ПЭП наибольшие неприятности доставляют электростатические наводки, в основном сетевой и кратных ей частот. Наводка действует через паразитные емкости, образующиеся, главным образом, в соединительной линии. Хотя она всегда экранируется, проницаемость экранирующей оплетки довольно велика, так что напряжение наводки на нагрузке может быть значительным. Для его снижения соединительную линию выполняют двухпроводным кабелем с общей оплеткой. В этом случае эквивалентная схема имеет вид, показанный на рис.7, так как помеха наводится на оба провода. По отношению к источнику помех схема представляет собой мост (рис.7,в), из чего очевидно условие взаимной компенсации наводок С_П1С₂ = С_П2С_{1 .} Хотя оно на практике и не выполняется, наводка в этой схеме подключения ПЭП, которую можно назвать изолированной, ослабляется на порядок и более по сравнению с заземленной.

Оценка чувствительности ПЭП. Возьмем материал, пьезомодуль которого можно считать средним по современным меркам и равным 100 пКл/Н. Пусть пьезоэлемент из него имеет емкость 1 нФ (это значение можно считать типичным) и подключен к электронному усилителю, собственный шум которого находится на отнюдь не рекордном уровне 10^-2 мВ. В этих условиях порог чувствительности по силе составит 10^-4 Н, т.е. 0,102 × 10^-4 кг с в привычных единицах. Если же пьезоэлемент воспринимает деформацию и его поперечное сечение равно 10x1 мм , то порог чувствительности будет равен 10^-10 единиц относительной деформации. В особых же условиях физического эксперимента был достигнут порог чувствительности 10^-16. Таковы принципиальные возможности пьезоэлектрических преобразователей.

Пьезоэлектрический преобразователь с использованием обратного эффекта. Обычно целью здесь является получение механических колебаний, но так как при подключении к источнику постоянного напряжения пьезоэлемент все время подзаряжается, его деформация сохраняется постоянной и он может быть задатчиком перемещения. Проблемой здесь является увеличение достигаемого перемещения, поскольку для самых активных материалов относительная деформация не превосходит 10^-4 при напряженности поля 100 В/мм. Сохраняя напряженность поля на одном уровне, можно увеличить перемещение в N раз, собрав в пакет N пьезоэлементов, соединенных электрически параллельно. Другим способом является использование биморфного преобразователя, в котором перемещение свободного конца пропорционально длине биморфа, умноженной на Vd₃₁U/h, где U — приложенное напряжение; h — толщина биморфа.

Если же ПЭП нужен для создания механических колебаний на дискретных частотах, то радикальным средством является использование резонанса преобразователя. Так как при умеренных габаритах последнего низшая резонансная частота колебаний по толщине порядка 100 кГц, для ее уменьшения ПЭП можно жестко соединить со стержнем из материала с малыми потерями. Тогда резонансная частота будет определяться, главным образом, длиной стержня и может быть снижена до нескольких килогерц. Амплитуда колебаний такой системы достигает 0,2 мм.

Применение пьезопреобразователей. В настоящее время наиболее широкое применение ПЭП нашли в бытовой технике — телевизорах цветного изображения (линии задержки), электронных часах и компьютерах (кварцевые резонаторы, звукоизлучатели), пьезозажигалках. В измерительной технике прямой пьезоэффект используется при измерении механических величин, достаточно быстро меняющихся во времени — вибрационных и ударных ускорений, скоростей и перемещений; динамических сил; звукового давления: пульсация давления. Соответствующие датчики относятся к числу измерительных преобразователей, наиболее стойких к внешним воздействиям. Сюда же примыкают диагностические датчики, воспринимающие так называемую акустическую эмиссию — кратковременные импульсы, возникающие при образовании микротрещин в нагруженных конструкционных материалах.

Пьезоэлектрические преобразователи, использующие обратный эффект, применяют в системах гидролокации, ультразвуковой диагностики. Часто один и тот же ПЭП является поочередно излучателем и приемником акустических колебаний. Пьезоэлектрические манипуляторы служат эффективным средством управления лазерными излучателями.

Пленочные пьезоэлектрические структуры используются в устройствах обработки аналоговой информации в электрической, оптической формах.

Своеобразными устройствами с использованием обратного эффекта являются пьезодвигатели, в которых имеется система пьезоэлементов, возбуждаемых так, что траектория колебательного движения их является замкнутой кривой. На части траектории пьезоэлемент соприкасается с ведомой деталью и передает ей некоторый импульс. Складываясь, импульсы вызывают непрерывное движение этой детали.

Изготовители ПЭП. До середины 90-х годов пьезопреобразователи в России производились в основном НПО «Фонон», объединявшем исследовательские, опытно-конструкторские и производственные мощности. В настоящее время почти монопольным изготовителем ПЭП является НКТБ «Пьезоприбор» (г. Ростов-на-Дону).

3.9. Фотоэлектрические преобразователи

Фотоэлектрические преобразователи по основному своему назначению основаны на принципе преобразования излучения оптического диапазона в электрический сигнал. Оптический диапазон занимает область спектра электро- магнитных излучений от глубокого ультрафиолетового (от 0,01 мкм) до дальнего инфракрасного излучения (до 1000 мкм) (рис. 2.57).

Рис.1. Спектр оптического излучения.

Это излучение может быть, как собственным излучением исследуемого объекта, так и отраженным или рассеиваемым его поверхностью, или частично поглощенным, если тело полупрозрачно. Ряд фотоэлектрических преобразователей использует принцип прерывания. Интервалы засветки и прерывания освещенности являются в этом случае информативным параметром изучаемого процесса. Преобразователи собственного излучения исследуемых объектов принято называть пассивными. Такие преобразователи позволяют оценивать энергетические, спектральные, фазовые, поляризационные характеристики изучаемого излучения.

Преобразователи, построенные на принципе преобразования излучения от внешнего источника, взаимодействующего с исследуемым объектом, называют активными. В качестве внешних источников излучения в активных преобразователях используются светодиоды, твердотельные и полупроводниковые лазеры. В последнее время в сочетании с волоконными элементами начали использоваться волоконно- оптические лазеры.

Таким образом, специфической функцией фотоэлектрических преобразователей является преобразование оптического излучения в электрический сигнал. Эта функция выполняется разнообразными приемниками излучения, которые в основном относятся к двум группам — собственно фотоэлектрическим и тепловым.

К фотоэлектрическим относятся приемники с внешним и внутренним фотоэффектами.

Группу приемников с внешним фотоэффектом составляют вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоумножители. Исторически они были первыми практическими фотоэлектрическими преобразователями, созданы во времена господства и расцвета вакуумной электроники, имели кислородно-цезиевый или сурмяно-цезиевый фотокатод. Кривые их относительной спектральной чувствительности представлены на рис.2. Однако при бесспорных достоинствах этой группы преобразователей — высокая чувствительность (фотоумножители, газонаполненные фотоэлементы) и высокое быстродействие (вакуумные фотоэлементы и фотоумножители) они обладают и бесспорными недостатками (необходимость высоких питающих напряжений и существенные габариты), что делает в современных датчиках предпочтительным использование разнообразных полупроводниковых фотоприемников с внутренним фотоэффектом.

Простейшим представителем этой группы фотоэлементов являются фоторезисторы, действие которых основано на зависимости их фотопроводимости от интенсивности и спектрального состава падающего на них излучения. Технологически фоторезисторы формируются в виде поликристаллических пленок, прессованных поликристаллических таблеток, либо монокристаллических пластинок. Кривая относительной спектральной чувствительности наиболее распространенных фоторезисторов приведена на рис. 3.

Рис.2. Спектральная чувствитель­ность приемников с внешним фотоэфектом: 1 — кислородно-цеэисвый; 2 — антимонид-цезиевый; 3 — сурмяно-цезиевый ФЭУ (22 °С); 4 — сурмяно-цезиевый ФЭУ (-55 °С)

Рис.3. Спектральная чувствитель­ность фоторезисторов.

Большой селективностью и избирательной чувствительностью характеризуются монокристаллические фоторезисторы. Охлаждение фоторезисторов повышает их чувствительность и сдвигает область спектральной чувствительности в сторону длинноволнового излучения.