Главная  Пьезоэлектрический резонатор 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [ 34 ] [35] [36] [37] [38]

в каждом отдельном случае после того, как пол> itHa картина всего частотного спектра кварцевого резонатора, оцениваются нежелательные резона«сы.

Моночастотность кварцевых резонаторов рассматривается в определенном интервале по обе стороны от резонансной частоты на частотной характеристике кварцевого резонатора. Можно считать допустимыми амплитуды нежелательных резонансов кварцевого резонатора до 70% амплитуды основного колебания, за исключением тех нежелательных резонансов, которые находятся менее чем в 50 кГц от основного резонанса. Они не вызывают изменения активности резонатора или его динамической индуктивности iL. В этом слзчае также не наблюдалось скачкообразных изменений частоты при изменении окружающей резонатор температуры.

При испытании кварцевых резонаторов в первую очередь необходимо установить, какие из них имеют интерферирующие нежелательные резонансные колебания. Нежелательные резонансы; чаще всего имеют более высокую частоту, чем основной резонанс (исследования проводились на кварцевых резонаторах высоких частот).

Число нежелательных резонансов, их близость к рабочей резонансной частоте и интенсивность определяют качество частотной характеристики резонатора. Выбирая срез и форму пьезоэлементов с соответствующим соотношением геометрических размеров, можно сдвинуть нежелательные резонансы относительно основной резонансной частоты. Хорошие показатели моночастотности наблюдаются у круглых пьезоэлементов.

Моночастотность и ТКЧ пьезоэлементов связаны между собой. Пьезоэлементам с нежелательными резонансами присущи большие значения ТКЧ.

Технология изготовления пьезоэлементов оказывает решающее влияние на моночастотность резонаторов. Хорошей моночастотностью обладают пьезоэлементы с большим отношением диаметра к толщине и с высококачественно шлифованной или полированной поверхностью. Хорошая плоскопараллельность кварцевых резонаторов обеспечивает их моночастотность. У пьезоэлементов с плохой плоскопараллельностью в различных точках различны условия отражения упругих волн, что вызывает появление нежелательных резонансов.

Низкочастотные бруски и пластины имеют только незначительные нежелательные резонансы, так же как толстые пьезоэлементы с колебаниями сдвига по толщине.

Проблема моночастотности возникает особенно остро для тонких пьезоэлементов высокочастотных кварцевых резонаторов.

Моночастотность кварцевых резонаторов проверяется с п( мощью установки, показанной на рис. 7.3.

Установка для проверки моночастотности кварцевых резонат( ров. Предназначена для обнаружения и замера абсолютных резонансов, ослабленных до 60 дБ, в диапазоне частот 0,1-75 МГц с 206

отсчетом уровня затуханий в децибелах и визуального наблюдения на экране электронно-лучевой трубки частотных характеристик кварцевых резонаторов.

Питание установки осуществляется от сети переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 220 В±10%. Время самопрогрева установки не более 30 мин. Значение напряжения, соответствующее затуханию 30 дБ, на выходе измерительного блока, нагруженного на согласованный 75-омный кабель, не менее 13 мВ при уровне входного сигнала 1-1,5 В. Неравномерность частотной харак- теристики измерительного тракта установки не более 5 дБ в диапазонах частот 0,1-1, 1 - 10 и 10- 75 МГц. Диапазон обнаружения абсолютных резонансов не менее О- 80 дБ.

гост

ГСП о

" ВЛОК АЧХ.

ттшя

Рис. 7.3. Структурная схема установки для проверки моночастотности кварцевых резонаторов

Погрешность измерения абсолютных резонансов, соответствующих эквивалентным сопротивлениям затуханий 0-60 дБ, не более ±2 дБ в диапазоне частот 0,1- 10 МГц и не более ±2,5 дБ в диапазоне частот 10-75 МГц. Установка позволяет производить измерения абсолютных резонансов кварцевых резонаторов в диапазоне температур с термокамерой. Она допускает непрерывную работу в течение 8 ч.

Установка состоит из измерительных блоков моночастотности БМ с диапазонами частот 0,1-1, 1-10 и 10-75 МГц и анализатора частотных характеристик АЧХ, которое соединены в единую схему.

Немоночастотный кварцевый резонатор можно представить как параллельное соединение двухполюсников, состоящих из последовательно включенных Lk, Ск, Rk, шунтированных статической емкостью Со. Здесь Lk, Ск, - эквивалентные индуктивность, емкость и сопротивление пьезоэлемента как колебательной системы для каждого вида колебаний; Со-емкость кварцедержателя с пьезоэлементом. Такая эквивалентная схема справедлива вблизи частот последовательных резонансов ©i, причем одна из частот является основной, а остальные - нежелательными. На частотах, равных резонансным, резонатор представляет собой активное сопротивление Rk, шунтированное статической емкостью Со. На частотах, отличных от резонансной, резонатор практически представляет собой емкость Со. Для выявления всего спектра нежелательных частот и его измерения резонатору необходимо создать ре-Жим работы предельно узкополосного фильтра, для чего резонатор включается в схему однозвенного мостикового фильтра с дифференциальным трансформатором и переменным конденсатором для нейтрализации шунтирующего действия статической емкости Со.



Характеристикой моночастотности является сопротивление кварцевого резонатора на частотах последовательного резонанса. Этот метод выявления и измерения нежелательных резонцнсов лежит в основе работы измерительных блоков БМ.

В состав рабочего места для измерения частоты резонансов кварцевых резонаторов входят: ГСС1 и ГСС2 - генераторы стандартных сигналов. Диапазоны частот генераторов 0,1 -10 МГц (выходное напряжение 1 В на нагрузке 75 Ом) и 10-75 МГц (выходное напряжение 1,5 В на нагрузке 75 Ом); УШ - усилитель широкополосный. Диапазон частот 10-75 МГц, выходное напряжение 1,5 В на нагрузке 75 Ом; В - вольтметр. Диапазон измеряемых напряжений 1-2 В, диапазон частот 0,1-75 МГц, погрешность измерения 4%; 5СУ - электронно-счетный частотомер;

% 8ff

-72,350 (

700%)

-71,37L \

7 (73%)

80 SO 40 10

О , .

72,0 72,г 71,i) а)

ЮОх-\-»=т-

о/ \\12,330(70О%)

72,0 11,1

700 %

-78,50(10

/18,58(1,

10%)

,18,51» (76

/78,56(6%) -- 1

700, %

18,1 18,4 78,В Г,МГ 6)

78,4

0(100%)

8,48(56"/

4(10%

О чп

Ланализатор частотных характеристик; 5M - блоюи м-оно-частотности измерительные; /С/-Кб - кабель ВЧ.

Установка позволяет определять эквивалентные сопротивления кварцевых резонаторов по измеренным значениям основного ц (нежелательных резонансов.

На рнс. 7.4 приведены частотные характеристики высокочастотных кварцевых резонаторов, работающих на первой и третьей гармониках, с круглыми шлифованными и полированными пьезоэлементами. На рис. 7.4, а дана частотная характеристика квар-I цевого резонатора, работающего на первой гармонике с частотой 12,330 МГц. Пьезоэлемент круглый, шлифованный. Здесь имеются два нежелательных резонанса: один с частотой 12,370 МГц на расстоянии 40 кГц от основного резонанса с амплитудой, равной 13% основного резонанса, второй на расстоянии 80 кГц от основ-

W 40

37,0(700%) -37,02(97%)

37,08(44%) 37,77(41)%) 37,73(47%) -37,16 (1(3 "А)

30,8 37,0 37,2 37,4 f,Mrq 3)


Рис. 7.4. Реальные частотные характеристики высокочастотных кварцевых резонаторов



ного резонанса с амплитудой, равнои-го,., ..j;;*}; • • - -а На рис. 7.4,6 показана частотная характеристик., .квари,.;-ого ре зонатора той же частоты с полированным пьезоэлементом. Здес нежелательные резонансы практически отсутствуют. На рис. 7.4, и г приведены частотные характеристики кварцевых резонаторов] работающих на первой гармонике, с круглыми шлифованными пьезоэлементами. Имеющиеся здесь значительные нежелательные резонансы находятся на расстоянии 80 кГц от основного резонанса, а меньшие нежелательные резонансы - на расстоянии менее 50 кГц. Их амплитуды доходят до 20% ооновного резонанса. Н; рнс. 7.4, д представлена частотная характеристика кварцевого ре зонатора, работающего на третьей гармонике, со шлифованньи круглым пьезоэлементом. Здесь имеется нежелательный резонан с амплитудой, равной 977о основного резонанса, на расстояни! 20 кГц от основного резонанса и группа нежелательных резонан сов на расстоянии 80-100 кГц. Этот кварцевый резонатор нельз} считать удовлетворительно выполненным. На рис. 7.4 е дана частотная характеристика кварцевого резонатора с частотой 35 МГц, работающего также на третьей гармонике, с полированным круглым пьезоэлементом. Этот резонатор практически не имеет нежелательных резонансов. Особенно отчетливо это видно- на, рис. 7.4, ж, где показана частотная характеристика другого резонатора, на 35 МГц.

Р. Бехман [36] отмечает, что при колебаниях по толщине следует различать два рода возникающих нежелательных резонансов: колебания, связанные с основными колебаниями пьезоэлемента (колебания изгиба), и колебания высших гармоник, также являющиеся колебаниями по толщине, частота которых выше основной частоты колебаний.

Электрическая эквивалентная схема такого пьезоэлемента с колебаниями по толщине показана на рис. 7.5. Величи-)

ны Lk, Ск, Ry. относятся К ОСНОВНЫМ колебаниям пьезоэлемента и связаны с величинами Ls, Cg, вызванными колебаниями изгиба. Нежелательные колебания высших гармоник с величинами L/ji, C;,i, Rhu Еш, Ch2, Rh2 и т. д. не связаны с основными колебаниями и представляют собой независимые колебания нежелательных резонансов. Приведенная схема действует для колебаний высших гармо-ник: п=3, 5, 7.и т. д.

Со


Рис. 7.5. Электрическая эквивалентная схема колеблющегося по толщине пьезоэлемента с нежелательными резонансами

Чл. j.t -А. ЙСЙЪТТАНИЯ КВАРЦЕВЫХ

РЕЗОНАТОРдв"

Кварцевые резонаторы считаются вибростойкими и вибропрочными, если они противостоят разрушающему действию вибрации и не меняют значений своих параметров или меняют их в допустимых пределах. Наименьший уход частоты наблюдается в случае действия ускоренггя в плоскости, совпадающей с плоскостью пьезоэлемента. Чтобы кварцевый резонатор мог выдержать без изменения собственной частоты большие ускорения, круглые пьезоэлементы должны иметь сравнительно небольшое отношение диаметра к толщине для предотвращения деформации изгиба. Масса пьезоэлемента, рассчитанного для работы на низких частотах, велика, и кварцевые резонаторы этого диапазона частот менее устойчивы к воздействию вибрации и ударов.

Проведены экспериментальные исследования [28] поведения колеблющегося пьезоэлемента прн воздействии -разного рода внешних усилий и механических напряжений. По мнению авторов эксперимента, полученные результаты полностью теоретически не объяснены и носят весьма сложный характер.

Оказалось очень трудно отделить различные механические напряжения друг от друга. Только в случае растягивающего усилия, действующего на пьезоэлемент, доказано, что изменение частоты всегда линейно зависит от значения растягивающего усилия. На рис. 7.6 показано изменение частоты пьезоэлемента среза (/x -f 35°


о Г Z 5 ❖ S Полное,растшвающее стие, Н

Рис. 7.6. Изменение частоты пьезоэлемента среза yxlj+35" частотой 8,04 МГц, вызванное воздействием внешних усилий

частотой 8,04 МГц с круглыми электродами диаметром 6,35 мм, вызванное воздействием внешних усилий. Прямоугольниками изображены пьезоэлементы, стрелки в них указывают направление Оси X, а стрелки с внешних сторон - направление приложенных



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [ 34 ] [35] [36] [37] [38]

0.0012