ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР | это… Что такое ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР?
ТолкованиеПеревод
- ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР
- ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР
-
– пьезоэлектрический преобразователь с ярко выраженными резонансными свойствами вблизи собств. частот колебаний механич. системы (см. также Резонанс). Представление П. р. в виде эквивалентной схемы с сосредоточенными параметрами см. на рис. 1. При внеш. возбуждающей частоте f = f р наступает механич. резонанс и ток в электрич. цепи П. р. достигает макс. значения. При повышении частоты до f а > fp называемой частотой антирезоианса, импеданс П. р. становится максимальным, а ток в его цепи – минимальным (резонанс токов).
Рис. 1. Эквивалентная схема пьезоэлектрического резонатора.
Рис. 2. Зависимость реактивного сопротивления пьезоэлектрического резонатора от частоты колебаний.
Величину называют резонансным промежутком. Качество П. р. определяется остротой его частотной характеристики (рис. 2) и величиной кпд. Значение частот и позволяет определить ряд важных характеристик П. р., и в первую очередь коэф. эл.-механич. связи К! Экспериментально параметры П. р. определяются методами резонанса – антирезонанса, переменой электрич. нагрузки, круговых диаграмм и др. П. р. широко используются в радиотехнике, электронике, электроакустике и др. в качестве фильтров, резонаторов в задающих генераторах, резонансных пьезопреобразователей и пьезотрансформаторов. Пьезо-электриком в П. р. служит кристалл кварца или пьезо-керамика с малыми потерями. Кварцевые резонаторы применяются в качестве резонансных контуров генераторов электрич.
ВЧ-колебаний. Высокая добротность (104 – 105) кварцевого резонатора определяет малый уход частоты генератора от её номинального значения [(10-3 – 10-5)%] при изменении окружающей темп-ры, давления и влажности. Разработаны микроминиатюрные кварцевые резонаторы на частоты колебаний 30 кГц – 8,4 МГц, нашедшие применение в электронных часах, системах электронного зажигания двигателей внутр. сгорания и др. П. р. на основе кварца используются в акустоэлектронных устройствах фильтрации и обработки сигналов: монолитных пьезо-электрич. фильтрах, а также фильтрах и резонаторах на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Осн. достоинство резонаторов на ПАВ – возможность использования в устройствах стабилизации частоты и узкополосной фильтрации в диапазоне частот 100- 1500 МГц. Пьезоэлектрич. фильтры из пьезокерамики, как правило, многозвенные, изготавливают на частоты 1 кГц – 10 МГц. При этом на частотах до 3,5 кГц используют биморфные пьезоэлементы, когда П.Параметры пьезоэлектрического резонатора
Основные параметры
Производные параметры
Ёмкость П. р., заторможенного по отношению к рассматриваемому резонансу
Ёмкостное отношение
Динамич.
ёмкость С,Механич. добротность
Коэф. качества
Резонансная частота
Эквивалентное сопротивление механич, потерь
Частотная постоянная Константа динамич, емкости
Примечание, d -резонансный размер; t -расстояние между электродами; А-площадь электродов.
Лит.: Кэди У., Пьезоэлектричество и его практические применения, пер.
с англ., М., 1949; Пьезокерамические преобразователи, под ред. С. И. Пугачева, Л., 1984; Интегральные пьезоэлектрические устройства фильтрации и обработки сигналов, под ред. Б. Ф. Высоцкого, В. В. Дмитриева, М., 1985.F. F. Легуша, С. И. Пугачёв.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.
.
Игры ⚽ Нужно сделать НИР?
- ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
- РАВНОВЕСИЕ ПЛАЗМЫ
Полезное
Кварцевый резонатор.
В современной электронике, особенно в цифровой сложно не найти электронный компонент под названием кварцевый резонатор. По своей сути, кварцевый резонатор является аналогом колебательного контура на основе ёмкости и индуктивности. Правда, кварцевый резонатор превосходит LC-контур по очень важным параметрам.
Как известно, колебательный контур характеризуется добротностью. Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой добротностью, которая недостижима при использовании обычного колебательного LC-контура. Если добротность обычных контуров лежит в пределах 100 – 300, то для кварцевых резонаторов величина добротности достигает 105 – 107.
Ёмкость конденсатора довольно сильно зависит от температуры окружающей среды. У конденсаторов даже есть параметр, который называется ТКЕ (температурный коэффициент ёмкости). Он показывает насколько измениться ёмкость конденсатора при изменении температуры.
Естественно, при применении конденсатора в составе LC-контура, частота его колебаний будет очень сильно зависеть от внешней температуры среды. То же касается и индуктивности, у которой также есть своя температурная характеристика – ТКИ.
Понятно, что для использования в цифровой технике (в том числе и в технике связи) требуется более стабильный и надёжный источник гармонических колебаний.
Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой температурной стабильностью. Именно благодаря высокой добротности и температурной стабильности кварцевые резонаторы применяются в радиотехнике очень активно.
Любой процессор или микроконтроллер работает на определённой тактовой частоте. Понятно, что для задания тактовой частоты необходим генератор. Такой генератор в качестве источника высокоточных гармонических колебаний, как правило, использует кварцевый резонатор. В тех схемах, где высокая добротность не требуется, могут применяться резонаторы на основе керамики – керамические резонаторы. Добротность резонаторов на основе пьезокерамики составляет не более 103. Их можно встретить в пультах дистанционного управления, электронных игрушках, бытовых радиоприёмниках.
Принцип работы кварцевого резонатора.
Принцип работы кварцевого резонатора целиком и полностью опирается на пьезоэлектрический эффект. Основой любого кварцевого резонатора является пластинка из кварца. Кварц – это одна из разновидностей кремнезема SiO2. Для изготовления резонаторов пригоден только лишь низкотемпературный кварц, который обладает пьезоэлектрическими свойствами. В природе такой кварц встречается в виде кристаллов и бесформенной гальки.
Кристалл кварца
Химически кварц очень устойчив и не растворяется ни в одной из кислот, за исключением плавиковой. Также кварц очень твёрдый. На шкале твёрдости он занимает седьмое место из десяти.
Чтобы изготовить кварцевую пластинку берётся кристалл кварца и из него под определённым углом вырезается пластинка. От угла, под которым происходит срез, зависят электромеханические свойства кварцевой пластины. Тип среза существенно влияет на температурную стабильность, количество паразитных резонансов, резонансную частоту.
Далее на две стороны кварцевой пластины наносят металлизированный слой (из серебра, никеля, золота или платины) и посредством жёстких проволочных контактов закрепляют в кварцедержателе. Всю эту конструкцию помещают в герметичный корпус.
Кварцевый резонатор является электромеханической колебательной системой. Как известно, любая колебательная система обладает своей резонансной частотой. У кварцевого резонатора также есть своя номинальная резонансная частота. Если приложить к кварцевой пластине переменное напряжение, которое совпадает с резонансной частотой самой кварцевой пластины, то происходит резонанс частот и амплитуда колебаний резко возрастает.
При резонансе электрическое сопротивление резонатора уменьшается. В результате получается эквивалент последовательной колебательной системы. Поскольку потери энергии в кварцевом резонаторе очень малы, то он фактически представляет собой электрический колебательный контур с очень большой добротностью.
Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора изображена на рисунке.
Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора
Здесь С0 – это постоянная (статическая) ёмкость образующаяся за счёт металлических пластин-электродов и держателя. Последовательно соединённые индуктивность L1,конденсатор С1 и активное сопротивление Rакт. отражают электромеханические свойства кварцевой пластинки. Как видим, если отбросить ёмкость монтажа и кварцедержателя С0, то получиться последовательный колебательный контур.
При монтаже кварцевого резонатора на печатную плату стоит позаботиться о том, чтобы не перегреть его. Эта рекомендация наверняка связана с тем, что конструкция кварцевого резонатора довольно тонкая. Температурный перегрев может вызвать деформацию кварцедержателя и пластинок-электродов. Естественно, всё это может отразиться на качестве работы резонатора в схеме.
Также известно, что если кварц нагреть свыше 573°C, то он превращается в высокотемпературный кварц и лишается своих пьезоэлектрических свойств. Конечно, довести температуру кварца до такой температуры оборудованием для пайки нереально.
Обозначение кварцевого резонатора.
На принципиальных схемах и в технической документации кварцевый резонатор обозначается наподобие конденсатора, только между пластинами добавлен прямоугольник, который символизирует пластинку кварца. Рядом с графическим изображением указывается буква Z или ZQ.
Условное обозначение кварцевого резонатора на схемах
Как проверить кварцевый резонатор?
Многие начинающие радиолюбители задаются вопросом: “Как проверить кварцевый резонатор?”
К сожалению, достоверно проверить кварцевый резонатор можно только заменой. Причиной неисправности кварцевого резонатора может быть сильный удар либо падение электронного прибора, в котором он был установлен. Поэтому если есть подозрение в исправности кварцевого резонатора, то его стоит заменить новым. К счастью в практике ремонта неисправность кварцевого резонатора встречается редко, конечно, есть и исключения, но они относятся к портативной электронике, которую частенько роняют.
Более подробную информацию о кварцевых резонаторах вы узнаете из книги, которую найдёте здесь.
Главная » Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница
Также Вам будет интересно узнать:
Транзистор.
Динистор.Принцип работы и обозначение динистора.
Моделирование условий электрического нагружения пьезокерамического резонатора на основе экспериментальных данных
ММС.
Том 2, номер 2
: стр. 115-127
https://doi.org/10.23939/mmc2015.02.115
Поступила в редакцию: 16 марта 2015 г.
Авторы:
- О. Безверхий
- Л. Зинчук
- В. Карлаш
1
Институт механики им. С. П. Тимошенко НАН Украины
2
Институт механики им. С. П. Тимошенко НАН Украины
3
Институт механики им. С. П. Тимошенко НАН Украины
Статья посвящена анализу задачи об условиях электрического нагружения вынужденных колебаний пьезокерамических резонаторов. Новая простая экспериментальная методика вместе с вычислительной техникой позволяет нам исследовать многие параметры резонаторов: полную проводимость, импеданс, фазовые углы, силовые составляющие и т.
пьезокерамические резонаторы
вынужденные колебания
коэффициент электромеханической связи
тонкие пьезоэлектрические пластины и оболочки
компоненты мгновенной мощности
- Учино К., Хиросе С. Как отдельно измерить потери в пьезоэлектриках. IEEE транс. Ультрасон. Ферроэлектр. Частота Контроль.
- Урал О. , Тункдемир С., Чжуан Ю., Учино К. Разработка мощной пьезоэлектрической характеристической системы и ее применение для определения характеристик резонансного/антирезонансного режима. Япония. Дж. Заявл. физ. 48 , н.5Р, 056509 (2009).
- Учино К., Чжэн Дж. Х., Чен Ю. Х. и др. Механизмы потерь и пьезоэлектрики большой мощности. Дж. Мат. науч. 41 , 217–228 (2006).
- Джаффе Б., Кук В. Р., Джаффе Х. Пьезоэлектрическая керамика. Академическая пресса, Лондон (1971).
- Шульга Н. А., Болкисев А. М. Колебания пьезоэлектрических тел. наук. Думка, Киев (1990).
- Шульга М. О., Карлаш В. Л. Резонансные электромеханические колебания пьезоэлектрических пластин. наук. Думка, Киев (2008 г.) (на украинском языке).
- Карлаш В. Л. Резонансные электромеханические колебания пьезоэлектрических пластин. Междунар. заявл. мех. 41 , № 7, 709–747 (2005).
- Карлаш В. Л. Потери энергии в пьезокерамических резонаторах и их влияние на характеристики колебаний. Электроника и связь. 19 , №2(79), 82–94 (2014).
- Карлаш В. Л. Методы определения коэффициентов связи и потерь энергии при колебаниях пьезокерамического резонатора. Акустический бюллетень. 15 , №4, 24–38 (2012) (укр.).
- Карлаш В. Л. Моделирование пьезокерамических резонаторов с потерями энергии электрическими эквивалентными сетями с пассивными элементами. Математическое моделирование и вычисления. 1 , № 2, 163–177 (2014).
- Мартин Г.Э. Диэлектрические, упругие и пьезоэлектрические потери в пьезоэлектрических материалах. Ультразвуковой Симп. проц. Милуоки. 613–617 (1974).
- Межерицкий А. В. Упругие, диэлектрические и пьезоэлектрические потери в пьезокерамике; как все это работает вместе IEEE Trans UFFC.
- Безверхий О., Зинчук Л., Карлаш В. Влияние электрической нагрузки, постоянного напряжения или тока на характеристики колебаний пьезокерамических резонаторов. Физико-математическое моделирование и информационные технологии. № 18, 9–20 (2013) (укр.).
- Шульга М. О., Карлаш В. Л. Измерение полной проводимости пьезокерамических элементов в четырехполюснике Мейсона и его вариантах. проц. IV Межд. Научно-техн. конф. «Датчики, приборы и системы – 2008». Черкассы–Гурзуф. 54–56 (2008) (на украинском языке).
- Глозман И. А. Пьезокерамика. Энергия, Москва (1972).
- Учино К., Чжуан Ю., Уральский С. О. Методика определения потерь пьезокерамики: новая феноменологическая теория и экспериментальные предложения. Дж. Адв. Диэлектрик. 1 , № 1, 17–31 (2011).
- Лю Г., Чжан С., Цзян В., Цао В. Потери в сегнетоэлектрических материалах. Материаловедение и инженерия. Р 89 , 1–48 (2015).
Матем. Модель. вычисл. Том. 2015. Т. 2. № 2. С. 115–127.0003
Пьезокерамические материалы
Пьезоматериалы на основе титаната цирконата свинца (PZT)
PI Ceramic предлагает широкий выбор пьезоэлектрических керамических материалов на основе модифицированного титаната цирконата свинца (PZT) и титаната бария. Обозначения «мягкой» и «твердой» пьезокерамики относятся к подвижности диполей или доменов и, следовательно, к поведению поляризации и деполяризации. В приводах используется сегнетоэлектрически мягкая пьезокерамика с низкой напряженностью поля обратной полярности. Сегнетоэлектрически твердые материалы PZT в основном используются в мощных акустических приложениях. Кроме того, PI Ceramic предлагает пьезокерамику, не содержащую свинца, которая в настоящее время используется в основном в качестве ультразвуковых преобразователей, а также кристаллический исполнительный материал.
Приводы и преобразователи могут быть изготовлены из специальных материалов для обеспечения специфических свойств применения, хотя техническое исполнение должно проверяться индивидуально.
Свойства материала классифицируются в соответствии с европейским стандартом EN 50324.
Идеально подходит для пьезоэлектрических приводов и датчиков
Сегнетоэлектрически мягкие пьезокерамические материалы довольно легко поляризуются даже при относительно низкой напряженности поля. Это связано с характерной для них сравнительно высокой подвижностью доменов. Преимуществами мягких материалов PZT являются их большой коэффициент пьезоэлектрического заряда, умеренная диэлектрическая проницаемость и высокие коэффициенты связи.
Области применения мягкой пьезокерамики
Важными областями применения мягкой пьезокерамики являются: Приводы для микропозиционирования и нанопозиционирования, датчики, такие как обычные датчики вибрации, ультразвуковые передатчики и приемники, например, для измерения расхода или уровня, идентификации или мониторинга объектов, а также а также для электроакустических применений в качестве преобразователей звука и микрофонов, а также в качестве звукоснимателей на музыкальных инструментах.
| PIC151 | Стандартный материал для приводов PICA Stack/Thru и Piezo Tubes Series |
|---|---|
| Материал | Модифицированный циркокон титан |
| High permittivity, large coupling factor, high piezoelectric charge coefficient, relatively high Curie temperature | |
| Suitable for | Actuators, low-power ultrasonic transducers, low-frequency sound transducers |
| Classification in accordance with ЕН 50324-1 | 600 |
| MIL-Standard DOD-STD-1376A | II |
| PIC255 | Standard material for PICA Power, DuraAct, PICA Shear, and Piezo Tubes series | |
|---|---|---|
| .0140 | Очень высокая температура CURIE, умеренная диэлектрическая проницаемость, высокая коэффициент связи, высокий коэффициент заряда, низкий коэффициент качества механического качества, низкий коэффициент температуры, относительно высокая прочность на полярность (> 1 кВ/мм) | |
| , подходящие для | ||
| , подходящие для | . Приходится для | |
| . Актуаторы для динамических условий эксплуатации и высоких температур окружающей среды, маломощные ультразвуковые преобразователи, нерезонансные широкополосные системы, датчики силы и акустические датчики | ||
| Classification in accordance with EN 50324-1 | 200 | |
| MIL-Standard DOD-STD-1376A | II |
| PIC155 | |
|---|---|
| Материал | Модифицированный цирконат титанат |
| Характеристики | Очень высокая температура CURIE, умеренная диэлектрическая проницаемость, низкий механический коэффициент качества, низкий температурный коэффициент, высокая чувствительность (коэффициенты G) |
| , подходящие для | . для микрофонов и вибродатчиков с предусилителем, измерение вибрации на низких частотах |
| Classification in accordance with EN 50324-1 | 200 |
| MIL-Standard DOD-STD-1376A | II |
| PIC153 | Material for специальные приводы серии PICA Stack/Thru и для клеевых приводов |
|---|---|
| Материал | Модифицированный цирконат титанат свинца |
| Characteristics | Extremely high permittivity and coupling factors, high charge coefficient, Curie temperature around 185 °C |
| Suitable for | Hydrophones, transducers in medical diagnostics and PZT translators |
| Classification in в соответствии с EN 50324-1 | 600 |
| MIL-Standard DOD-STD-1376A | VI |
| PIC152 | ||
|---|---|---|
| Material | Modified lead zirconate titanate | |
| Characteristics | Диэлектрическая диэлектрическая проницаемость с чрезвычайно низким температурным коэффициентом0137 Suitable for | Force and acceleration transducers |
| Classification in accordance with EN 50324-1 | 200 | |
| MIL-Standard DOD-STD-1376A | II |
Высокоэффективный материал для ультразвуковых преобразователей
Сегнетоэлектрически твердые материалы PZT могут подвергаться высоким электрическим и механическим нагрузкам. Их свойства практически не изменяются в этих условиях.
Преимуществами этих материалов являются умеренная диэлектрическая проницаемость, большие коэффициенты пьезоэлектрической связи, высокие механические свойства и очень хорошая стабильность при высоких механических нагрузках и напряженности рабочего поля. Низкие диэлектрические потери облегчают их длительное использование в резонансном режиме при незначительном собственном нагреве компонента.
Применение
Применение твердых пьезоматериалов особенно выгодно для акустических приложений большой мощности. Примеры областей их применения включают ультразвуковую очистку (обычно в диапазоне частот кГц), механическую обработку материалов (ультразвуковая сварка, склеивание, сверление и т. д.), ультразвуковые процессоры (например, для диспергирования жидких сред), медицинский сектор (ультразвуковые удаление зубного камня, хирургические инструменты и т. д.) и сонарные технологии.
| PIC181 | ||
|---|---|---|
| Material | Modified lead zirconate titanate | |
| Characteristics | Extremely high mechanical quality factor, good temperature, and time stability of its диэлектрическая проницаемость и упругость | |
| Подходит для | Высокие акустические применения, резонансные ультразвуковые приложения | |
| Классификация | . 1376a | I |
| PIC184 | ||
|---|---|---|
| 9019 | 77777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777 | |
| 3 Material | Modified lead zirconate titanate | |
| Characteristics | Large electromechanical coupling factor, moderately high quality factor, excellent mechanical and electrical stability | |
| Suitable for | High-power ultrasound applications, hydroacoustics , сонарная технология | |
| Classification in accordance with EN 50324-1 | 100 | |
| MIL-Standard DOD-STD-1376A | I |
| PIC144 | ||
|---|---|---|
| Материал | Модифицированный свинцовый цирконат титанат | |
| Характеристики | Большой электромеханический коэффициент связи, высокий коэффициент качества, отличная механическая и электрическая стабильность, высокая устойчивость к сжатию | |
| Подходит для | High-Power Ultrasound Applications, HydroAcoustics, | 137.100 |
| MIL-Standard DOD-STD-1376A | I |
| PIC241 | |
|---|---|
| Material | Modified lead zirconate titanate |
| Characteristics | Высокий механический коэффициент качества, более высокая диэлектрическая проницаемость, чем PIC181 |
| Suitable for | High-power acoustic applications, piezomotor drives |
| Classification in accordance with EN 50324-1 | 100 |
| MIL-Standard DOD-STD-1376A | I |
| PIC300 | ||
|---|---|---|
| Материал | Модифицированный свинцовый цирконат титанат | |
| Характеристики | . 0194 | Use at temperatures up to 250 °C (briefly up to 300 °C) |
| Classification in accordance with EN 50324-1 | 100 | |
| MIL-Standard DOD-STD-1376A | I |
PI Ceramic предлагает бессвинцовую пьезокерамику лабораторного производства. Материалы основаны на титанате висмута-натрия (BNT) и обладают очень схожими свойствами с материалами из титаната бария. Материалы подходят для ультразвуковых преобразователей в диапазоне МГц, а также для гидролокаторов и гидрофонов.
Титанаты бария и свинца в основном используются в гидроакустической технике и в некоторых терапевтических, ультразвуковых медицинских применениях из-за их температуры Кюри до 150°C. Будучи одним из первых пьезокерамических материалов, которые можно было производить в промышленных масштабах, модифицированный титанат бария-свинца сегодня используется только для ухода за старыми продуктами. PI Ceramic производит модифицированные титанаты бария и свинца по запросу.
Технический паспорт
Английский Немецкий
Скачать
Скачать
Термическая деформация по-разному ведет себя в направлении поляризации и перпендикулярно ей.
Неполяризованные пьезокерамические элементы изотропны. Коэффициент расширения является приблизительно линейным при температурном коэффициенте приблизительно 2 × 10 -6 / K.
Предпочтительная ориентация доменов в поляризованном корпусе PZT приводит к анизотропии, которая является причиной различных характеристик теплового расширения. .
В приложении необходимо учитывать влияние последовательных изменений температуры. Большие изменения кривой могут происходить, в частности, в первом температурном цикле.
В зависимости от материала кривые могут сильно отличаться от представленных на рисунке.
