Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Московский государственный университет леса

Факультет электроники и системотехники

Кафедра информационно-измерительных систем и технологии приборостроения

Сообщение

по теме: "Пьезоэлектрический эффект"

Выполнил: студент группы ИТ-31

Захаров Алексей

Принял: доцент Удалов М.Е.

Мытищи - 2012

Пьезоэлектрический эффект

В 1880 г. Жак и Пьер Кюри обнаружили пьезоэлектрический эффект, который, как выяснилось позже, присущ ряду кристаллов, принадлежащих к определенным кристаллографическим классам. Сущность его заключается в следующем. При определенных типах кристаллофизической симметрии в результате деформирования кристалла возникает так называемый прямой пьезоэлектрический эффект - на гранях кристалла появляются электрические заряды, пропорциональные величине деформации. Имеет место также и обратный пьезоэлектрический эффект, который заключается в том, что в электронном поле в кристаллах возникают внутренние напряжения, пропорциональные напряженности поля.

Пьезоэлектрический эффект тесно связан с существом кристаллической структуры. Кристаллы имеют геометрически правильное расположение составляющих их структурных элементов, чередование которых в пространстве образует кристаллическую решетку. В узлах решетки располагаются ионы, т.е. атомы с недостатком или избытком валентных электронов, нейтральные атомы или молекулы.

Существование кристаллических решеток объясняет симметрию кристалла. Кристаллы подразделяются на классы, причем каждому классу присущи определенные элементы симметрии: оси симметрии, плоскости симметрии, центр симметрии. Элементами минимальной симметрии a-кварца являются ось третьего порядка (оптическая) и три перпендикулярные ей оси второго порядка (электрические), образующие между собой углы в 120 градусов. Перпендикулярно этим осям расположены три оси, называемые механическими. При воздействии внешней силы кристаллическая решетка изменяет свое состояние. Деформация решетки, вызываемая механическим напряжением, приводит к перераспределению электрических зарядов. Однако не при любом расположении диполей в кристалле приложение механической силы приводит к такой деформации, при которой изменяется дипольный момент, т.е. расстояние между центрами тяжести разноименных зарядов. Это возможно только при наличии полярных направлений, которые имеются у кристаллов определенных классов, не обладающих центром симметрии. пьезоэлектрический эффект физическая молекулярная

Рисунок 1, а. Структура кварца

Рисунок 1, б-г. Возникновение пьезоэлектрического эффекта в кварце

Рассмотрим возникновение пьезоэлектрического эффекта в кварце с молекулярной точки зрения.

Как показывает рентгеноструктурный анализ, основой структуры кварца Si02 являются винтовые цепочки тетраэдров Si04, расположенные по оси симметрии третьего порядка (вдоль оптической оси) (рис. 1, а).

В структуре кристалла каждый ион Si, обладающий положительным зарядом +4е*, тетраэдрически окружен четырьмя ионами О, каждый из которых обладает отрицательными зарядами -2е, и каждый ион О связывает два иона Si. Однако заряды всех ионов кристаллической ячейки взаимно компенсируются, и в целом она электрически нейтральна. Для простоты будем рассматривать каждую пару ионов О в качестве частицы, имеющей заряд -4е, При этом структурная ячейка, представленная на рис. 1, а, принимает вид, изображенный на рис. 1, б. Предположим, что эта ячейка подвергается воздействию внешней силы в направлении электрической оси Х (рис. 1, в); тогда ион Si (1) сдвинется внутрь и расположится между ионами О(2) и О(6), а ион О(4)- между ионами Si(3) и Si(5). Вследствие этого на одной поверхности возникнет положительный заряд, на другой - отрицательный, т. е. имеет место прямой пьезоэлектрический эффект. Пользуясь моделью структурной ячейки, можно объяснить возникновение обратного пьезоэлектрического эффекта, а также отсутствие асимметрии в расположении зарядов в направлении оси третьего порядка при сжатии или растяжении кварца. Прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты используются для стабилизации частоты; при периодическом изменении электрического поля, прикладываемого к кристаллу, например кварца. В последнем возникают резонансные механические колебания, если частота изменения поля равна одной из собственных частот кристалла. Эти механические колебания благодаря обратному пьезоэффекту обусловливают весьма интенсивные электрические колебания, оказывающие сильное воздействие на возбудившую их электрическую цепь. Частота собственных колебаний пьезоэлектрического кристалла определяется его физическими свойствами и геометрическими размерами.

В качестве пьезоэлектрических материалов могут применяться, помимо кварца, турмалин, виннокислый калий и виннокислый этилендиамин, различные керамики (титанат бария, цирконат-титанат свинца и др.) и многие другие моно- и поликристаллы. Однако ни один из них до сих пор не стал достаточно сильным конкурентом кварцу благодаря тому, что в кварце сочетаются многочисленные достоинства. К числу этих достоинств следует отнести и то, что кристаллы кварца являются почти идеально упругими телами, обладают ничтожным внутренним трением, большой механической и термической прочностью и встречаются в природе в виде чрезвычайно крупных образований (известны монокристаллы кварца весом свыше тонны). [1]

Расходомер ультразвуковой "ГиперФлоу-УС"

Внешний вид расходомера ультразвукового ГиперФлоу-УС:

1) фланцевый измерительный участок (ФИУ, патрубок специального изготовления с фланцевым соединением);

2) бобышка для установки датчика давления;

3) магнитный ключ;

4) блок электронный БЭ-017-01;

5) датчики пьезоэлектрические;

6) бобышки для установки датчиков пьезоэлектрических.

Производится НПО "Вымпел". В 2006 году на 34 Международной выставке изобретений, новой техники и продукции, проходящей в г. Женева (Швейцария), ультразвуковой расходомер "ГиперФлоу-УС" был удостоен золотой медали и получил дипломы за высокий уровень разработок.

Назначение. Расходомер ультразвуковой "ГиперФлоу-УС" предназначен для измерения в рабочих условиях и приведенного к нормальным условиям расхода и количества природного газа и других газовых сред в напорных газопроводах диаметром от 100 до 1600 мм.

Расходомер предназначен для коммерческого и технологического учета расхода и количества газовых сред на промышленных и коммунальных объектах как автономное средство измерения, а также в составе автоматизированных систем учета и контроля или передачи информации в другие системы. Прибор предназначен для эксплуатации во взрывоопасных зонах, Учета газовых потоков на предприятиях газовой и нефтяной промышленностей, в том числе и факельного газа, Построения систем вентиляции и кондиционирования воздуха, Создания датчиков массового расхода воздуха для автомобилей.

Метод измерения. По принципу действия расходомер относится к времяимпульсным ультразвуковым расходомерам, работа которых основана на измерении разности времен прохождения зондирующих импульсов ультразвуковых колебаний между четными и нечетными датчиками пьезоэлектрическими (ДПЭ) по направлению скорости потока рабочей среды в измерительном газопроводе (первичном преобразователе), и против него (по V-, W-образному или по линейному пути).

Принцип действия расходомера ультразвукового ГиперФлоу-УС. Возбуждение и прием зондирующих импульсов производится пьезоэлектрическими датчиками, устанавливаемыми на измерительный трубопровод с измеряемым расходом. Попеременная коммутация режимов "прием-передача" пар датчиков обеспечивается блоком электронным. Сигналы от пьезоэлектрических датчиков усиливаются и обрабатываются приемным устройством блока электроники и передаются в контроллер, который вычисляет скорости потока газа, объёмный расход в рабочих условиях, измеряет температуру и давление газа, обеспечивает приведение расхода и объема к стандартным условиям, а также архивирует измеренные значения. Результаты измерений отображаются на индикаторе блока электронного БЭ-017-01 расходомера и передаются по частотному и цифровому каналам в другие системы. Конструктивно датчик состоит из корпуса, выполненного из нержавеющей стали, в теле которого расположен гермоввод для подачи питания на излучатель. Внутренний объем корпуса датчика со стороны излучателя, расположенного в зоне давления среды залит компаундом. Уплотнение корпуса датчика в монтажном патрубке, привариваемом к трубопроводу с измеряемой средой, обеспечивается стандартным резиновым кольцом. [2]

Таблица 1. Основные технические характеристики расходомера ультразвукового "ГиперФлоу - УС"

Список использованной литературы

1. http://lit-phonon.ru/page1/03/1.

2. http://www.npovympel.ru/products/flowmetry/gf-us/.

Размещено на Allbest.ru