3. Индицирование двс. Пьезоматериалы

Что такое пьезоэлектрики?

Пьезоэлектрики – кристаллические вещества, в которых при сжатии и растяжении (в определённых направлениях) возникает электрическая поляризация в отсутствии внешнего электрического поля. В результате этого на гранях элемента в определённых направлениях возникают электрические заряды.

Кристалл кварца и его оси. Физическая природа пьезоэффекта. Продольный и поперечный пьезоэффект. От каких факторов зависит выходной сигнал продольного и поперечного пьезоэффектов?

Кристалл кварца представляет собой шести гранную призму, в которой можно выделить 3 основные оси.

Рассмотрим природу пьезоэффекта на примере кристалла кварца, рассматривая форму элементарной кристаллической ячейки (точнее, рассматривая её проекцию на плоскость, перпендикулярную оси). В целом ячейка нейтральна, но в ней можно выделить 3 направления, проходящие через центр и соединяющие 2 разноимённых заряда (электрические оси).

Если приложить усилие вдоль оси х₁х₁, то электрическая нейтральность ячейки нарушается в результате деформации электрической ячейки.

В результате появляется равнодействующая вектора поляризации. Ей соответствуют поляризационные заряды на гранях, перпендикулярные оси х₁х₁, знаки которых зависят от ориентации кристалла. Образование поляризационных зарядов на гранях, перпендикулярных оси х₁х₁, называется продольным пьезоэффектом. При механическом воздействии вдоль оси уу, геометрическая сумма векторов поляризации на эту ось равна 0. Однако проекции векторов Р₂ и Р₃ на ось хх не равны вектору Р₁.

В результате равнодействующая вектора поляризации направлена в противоположную сторону по сравнению с предыдущим случаем. На нижней грани кристалла появляется «+» заряд, а на верхней «–» заряд. Образование поляризационных зарядов на гранях, перпендикулярно нагружаемым граням, называется поперечным пьезоэффектом.

Как должны быть ориентированы грани пластин, вырезаемых из кристалла кварца?

Из кристалла кварца вырезают пластину таким образом, чтобы наибольшая плоскость была бы перпендикулярна электрической оси хх.

, где d₁ – продольный пьезомодуль к/н. Величина этого заряда не зависит от размеров пластин. Если подвергнуть эту же пластину сжатию в направлении оси уу, то на тех же гранях вновь появится заряд , поперечный пьезоэффект с тем же модулем d₁. Но, в отличие от продольного эффекта, поперечный пьезоэффект зависит от соотношения b/a, что позволяет изменять чувствительность преобразователя.

В чём преимущества кварца в качестве пьезоматериала (4-6)?

1. Высокая механическая прочность. 2. Хорошие изоляционные свойства. 3. Сравнительно низкая зависимость от температуры (до 250…350⁰С почти не влияет). 4. Отсутствие гистерезиса. 5. Линейность характеристики (сохраняется при нагружении вплоть до разрушения), упругие свойства. 6. Широкое распространение и невысокая стоимость.

Что относится к влияющим факторам пьезоматериалов?

1. Температура (хотя по сравнению с упругими пьезоматериалами) у кварца её влияние меньше. 2. Влажность (из-за большого входного электрического сопротивления датчика). 3. Механические воздействия (особенно на соединительный кабель).

В каком диапазоне температур пьезокварц может применяться без охлаждения?

Для всех пьезоэлектриков характерно значение температуры, при которой их пьезоэлектрические свойства утрачиваются. Для кварца эта температура составляет 550⁰С (т.н. точка Кюри).

№ 16

1. Гидродинамические тормоза (ГДТ).

ГДТ – тормоза, в которых поглощение мощности происходит в результате гидродинамической работы, затрачиваемой на перемещение жидкости. В ГДТ механическая энергия ДВС преобразуется в кинетическую энергию жидкости, которая в конечном счёте превращается в тепло в результате трения и гидродинамических потерь.

Внешняя скоростная характеристика (ВСХ) ГДТ с учётом ограничений.

Фактически ВСХ – зависимость N_Т и М_Т от n при полном или частичном ( с учётом ограничений) положения органа управления ГДТ. ВСХ позволяет судить о возможности применения ГДТ для торможения данного ДВС.

Относительный тормозной момент и относительная тормозная мощность в различных зонах ВСХ ГДТ.

Согласование характеристик ДВС и ГДТ с учётом возможных перемещений органа управления ГДТ (сравнение ГДТ переменного и постоянного заполнения).

Возможный диапазон поглощения мощности определяется замкнутым контуром, в пути которого должна располагаться ВСХ ДВС. Однако это условие является необходимым, но недостаточным для эффективного сопряжения ДВС и ГДТ. Частичные скоростные характеристики (ЧСХ) ГДТ лежат в пределах этого контура, что позволяет задавать различные и нагрузочные режимы ДВС. Но реальная оценка возможности регулирования ГДТ в указанных пределах возможна только с учётом анализа реального переменного органа регулирования ГДТ.

Задача №3.

Преимущества и недостатки ГДТ.

Преимущества: 1. относительная простота конструкции. 2. дешевизна изготовления и низкая стоимость эксплуатации. 3. высокая энергоёмкость (минимальные габаритные размеры при N_T – idem по сравнению с другими типами тормозов). 4. высокая быстроходность. 5. нечувствительность к перегрузкам. 6. наименьший момент инерции ротора, т.е. уменьшение механической инерционности. Недостатки: 1. отсутствие рекуперации энергии. 2. необратимость. 3. ограниченный (низкий) диапазон регулирования (по сравнению с электрическими машинами). 4. сложность автоматизации. 5. невозможность разгружения до режима ХХ. 6. трудность изменения М_Т по реакции статора.

Область применения.

ТК, Турбины.