7-маъруза. Пезоэлектрик, термоэлектрик, индукцион датчиклар пьезоэлектрик датчиклар

7-МАЪРУЗА. ПЕЗОЭЛЕКТРИК, ТЕРМОЭЛЕКТРИК, ИНДУКЦИОН ДАТЧИКЛАР


Пьезоэлектрик датчиклар
Пьезоэлектрик датчикларнинг ишлаш принципи тўғри ёки тескари пьезоэлектрик эффектдан фойдаланишга асосланган. Тўғри пьезоэлнетрик эффект бу пеьзоматериалга механик юк тушганида унинг юзасида электр зарядларнинг ҳосил бўлиши ҳисобланса, тескари пьезоэлектрик эффект - бунинг акси, яъни электромагнит майдон таъсирида пьезоэматериалнинг механик кучланганлиги ёки геометрик ўлчамларининг ўзгариши ҳисобланади.
Одатда пьезоэлектрик материал сифатида кварц ва турмалин каби табиий материаллардан, шунингдек, титан барий (BaTiO­₃), титан қўрғошин(PbTiO₃), цирконат қўрғошин (PbZrO₃) каби суний қутублантирилган материаллардан ҳам фойдаланилади.
Миқдор жихатидан пьезоэффект ҳосил бўладиган заряд Q ҳамда берилган куч F орасидаги боғлиқликни ифодалайдиган пьезомодуль K_d билан баҳоланади:

( )

Механик мустахкамлиги юқори, ҳарорат ва намлик таъсирига турғун, электр қаршилигининг жуда катталиги ҳамда яхши пьезоэлектрик ҳусусиятга эга бўлгани учун пьезоматериал сифатида кварцдан фойдаланиш кенг тарқалган. Кварц жуда кичик чизиқли кенгайиш коэффициентига эга. Унинг пьезомодули 2.3*10^-12га тенг бўлиб, амалда ҳарорат 200 ⁰С гача бўлганда хароратга боғлиқ бўлмайди. Ҳарорат 200...500 ⁰С диапазонида бўлганида кварцнинг пьезомодули жуда кичик миқдорда ўзгаради, 573 ⁰С да эса 0 га тенг бўлади. Кварцнинг нисбий электр қаршилиги 10¹⁶ Ом/м ни, эластиклик модули эса E=7.7*110¹⁰ Па ни ташкил этади.
Пьезокерамика таркибида майдаланган сегноэлектрик кристаллар мавжуд бўлган прессланган аралашмани ёндириш натижасида ҳосил бўладиган материалдир. Сегноэлектрикларнинг ҳарактерли жиҳати доменларининг хаотик йўналган қутубли структураси ҳисобланади. Сегноэлектрик пьезокерамиканинг электр майдонида қутубланганидан сўнг пьезоэлектрик хусусияти пайдо бўлади.
Пьезокерамиканинг механик мустаҳкамлиги жуда юқори лекин, контакт юзасининг ишлов берилиш сифати ва технологиясига боғлиқ бўлади. Пьезамодуль, диэлектрик ўтказувчанлик ва унинг барқарорлиги қутубланишнинг йўналишини, таъсир кучи F нинг йўналишини ҳамда заряд сиғими Q нинг танланишига боғлиқ.
Ниобат қўрғошин (НҚ) ҳамда цирконат-титан қўрғошин (ЦТҚ) асосида тайёрланган пьезокерамика титан барий асосида тайёрланганига нисбатан барқарорроқ, аммо сезгирлиги пастроқ бўлади. Шунинг учун титан барий асосли пьезокерамика 120 ⁰С да Кюри нуқтасига эга бўлади, бунда нинг пьезомодули 100*10¹² Кл/Н ни ташкил этса, ЦТҚ-19 эса 290 ⁰С да Кюри нуқтасига эга бўлади в пьезомодулининг қиймати икки баравар юқорироқ бўлади.
Табиатда пьезоматериаллар кристалл структурага эга бўлиб, бу структура пьезоўзгартиргичнинг ҳусусиятларини аниқлайди. Кварц олти бурчакли призма шаклидаги кристаллардан тузилган бўлади. Кристаллар шаклига кўра уларда ўқларнинг учта тури фарқланади: бўйлама ёки оптик ўқ Z, кристалл призмасининг қовурғаси орқали оптик ўққа нисбатан номал ўтувчи электрик ўқ X, кристалл қирраларига нисбатан нормал йўналидга ўтган механик ёки нейтрал ўқ.

1-расм. Пьезосезгир элемент (а) ҳамда пьезоўзгартиргич (б)

Пьезосезгир элемент одатда кварц кристаллидан томонлари кристалл ўқларига паралелл (параллелепипед) пластина шаклида кесиб тайёрланади. Агар кварц пластинага X ўқ бўйлаб F куч таъсир қилса, унинг чегараларида X ўқига перипендикуляр турли қутубли электрик зарядлар Q ҳосил бўлади. Эластик деформация чегарасида бу зарядларнинг қиймати (1) ифодада келтирилганидек қўйилагн кучга чизиқли боғлиқ бўлади. Бундай пьезоэффект бўйлама пьезоэффакт деб номланади. Зарядларнинг қимйти пластиналарнинг геометрик ўлчамларига боғлиқ эмас балки, уларнинг қатламлари билан аниқланади.
Агар пластина Y ўқи бўйлаб сиқилса, худди шу йўналишда тескари ишора билан яна зарядлар пайдо бўлади. Бу ходиса кесим пьезоэффекти деб номланади. Кесим пьезоэффектида заряд миқлори

( )

ифодага кўра аниқланади. Бунда a ва b мос равишда X ҳамда Y ўқлари йўналишидаги пьезоэлементнинг ўлчамлари.
Таъсир кучи F нинг йўналигига боғлиқ холда (сиқилиш ёки чўзилиш) пластина чегарасидаги зарядларнинг ишоралари ўзгаради.
F куя Z ўқ бўйлаб йўналганда пьезоэффект кузатилмайди. Кварц пластинасига барча томонларидан тенг кучли таъсир кўрсатилганида (масалан, гидростатик сиқилганида) ҳам электрик нейтраллигича қолади.
Турмалин (каврцдан фарқли равишда) Z оптик ўқига перипендикуляр бўлган фақат битта пьезосезгир текистикка эга бўлади. Шундай хусусияти сабабли тунмалинни ҳар томонлама босимни ўлчаш учун ишлатса бўлади. Бу хусусият суюқликлар ичидаги босимни ўлчашда жуда ас қотади.
Босимни пьезоэлектрик ўзгартиргич пьезоматериалдан тайёрланган пластина шаклида бўлади. Унинг иккита чегерасига электродлар ўрнатилган бўлиб, улардан электр заряд ёки кучланиш олинади. Юкланиш бўлмаганда ситрдаги кучланиш

( )

тенглама билан аниқланади. Бунда – пьезоэлектрик ўзгартиргич элементининг сиғими, – пластина материалининг диэлектрик доимийси; – X ўқига перпендикуляр майдон юзаси.
Ўзгартиргичдан келаётган сигнални кучайтириш учун кўпинча керамикадан тайёрланган пластина-шайбалар устун кўринишида ҳам йиғилади (1,б-расм).
Пьезоэлектр элементи сиқилиш-чўзилишда ишлайдиган ўзгартиргичлар билан бир қаторда элементларнинг эгилиш ва сурилишида ишлайдиган конструкциялари қўлланилади (2-расм). Букилишга ишлайдиган ўзгартиргич бир бирига ёпиштирилган иккита бир ҳил пластинадан иборат бўлади. Уларнинг орасига металл фолга жойлаштирилади. Бу элементнинг эгилиш пайтида битта пластина чўзилади, иккинчиси эса сиқилади. Юзаларнинг уланиш схемаларига кўра ёки кучланишлар йиғиндисини (2,а-расм) ёки зарядлар ғиғиндисини олиш мумкин (2,б-расм). Букилишга ишлайдиган ўзгартиргичлар чиқилишга ишлайдиган ўзгартиргичларга нисбатан юқори сезгирликка эга бўлади. Шу билан бир қаторда частота диапазони ҳамда мустаҳкамлик жихатидан кучсизроқ ҳисобланади.
Силжишга ишлайдиган ўзгартиргичлар (2,в-расмда кўрсатилган) ички электрод 3 га кийдирилган керамик ҳалқа 1 дан иборат бўлиб, бу ҳалқа ташқи электрод 2 ичида жойдаштирилган. F куч таъсирида қутубланиш йўналишига паларрел равишда силжиш деформацияси кузатилади. Бундай ўзгартиргичнинг афзаллиги датчикка ён томонидан таъсир бўлганида электр зарядларни ҳосил бўлмаслигидир.

2-расм. Пьезодатчиклар: а,б – мос равишда кучланиш йиғиндиси ва заряд йиғиндиси чиқиш сигналига эга бўлган эгилишга ишловчи датчиклар; в – силжишга ишловчи датчик; 1-халқа; 2-ташқи электрод; 3-ички электрод.

Ўзгартиргичнинг чиқишига уланадиган юклама қаршилик ҳамда уловчи ўткагичларнинг сиғимлари, кучайтиргичнинг кириш каналидаги сиғими ва бошқа сиғимларга боғлиқ бўлган сиғим билан характерланади.
Каварцли ўзгартиргичлардан фойдаланилганда , пьезокерамикадан фойдаланганда эса пьезоэлемент сиғими кўпинча юклама сиғими билан таққосланадиган, ҳатто унданда юқори бўлади. Юклама билан ўзгартиргичнинг эквивалент схемаси 3-расмда келтирилган.

3-расм. Ўзгартиргичнинг юклама билан эквивалент схемаси

Пьезолектрик ўзгартиргичнинг сезгирлиги

Ўзгартиргичнинг сезгирлигини ошириш мақсадида n та пластиналар устун сифатида териб чиқилади ва параллел уланади (1,б-расм). Бу ҳолда чиқиш кучланиши

ёки

бўлади. Тенгламада .
Чиқишдаги кучланиш нисбатан кичик бўлгани учун уни кучайтириш талаб қилинади.
Пьезоэлектрик ўзгартиргичнинг хатолиги ўлчов занжирининг ( сиғимнинг) параметрлари ўзгариши, пьезоэлектрик модулни ўзгаришига олиб келадиган ҳароратга боғлиқ хатоликлар, қурилмага пластинани тўғри жойлаштиришдаги ҳатоликлар, ўзгартиргичнинг ўқига перпендикуляр таъсир қилувчи кучларга нисбатан сезгирлик туфайли юзага келадиган хатоликлар ҳамда ҳусусий хатоликлари йиғиндисидан иборат.
Рухсат этиладиган частотанинг юқориги диапазони ўзгартиргичнинг механик параметрлари асосида аниқланади. Пьезоэлектрик ўзгартиргичлар хусусий тебраниш частотаси га тенг қилиб тайёрланади. Бу эса частотаси 7...10 кГц гача бўлган механик катталикларни инерциясиз ўлчаш имконини беради.
Пьезоэлектрик ўзгартиргичларнинг афзалликлари сифатида конструкциясининг соддалиги, ўлчамларининг кичиклиги, нархининг арзонлиги, юқори ишончлиликка эга эканлиги, тез ўзгарувчи катталикларни ўлчаш имкониятининг мавжудлигини келтириш мумкин. Камчиликлари сифатида эса сезгирликнинг пастлиги, статик катталикларнинг ўлчашга яроқсизлиги, ўлчаш занжирида юқори чиқиш қаршилигига эга эканлиги, чиқиш сигналининг нисбатан паст даражада бўлиши ва оралиқ кучайтиргичга эҳтиёж мавжудлигини эътироф этиш мумкин.