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]

1.11. ИЗМЕНЕНИЕ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ПАРАМЕТРОВ: КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ ПОД ВЛИЯНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ

на эквивалентные .параметры кварцевых резонаторов влияе: ряд причин. следует отметить, что для практики существенно не само значение какого-либо эквивалентного (параметра, а его изме- нение, вызванное изменением влияющего фактора. динамические параметры lk, ск, j?k определяются физическими константами кварда и размерами пьезоэлемента. эти параметры, особенно активное Сопротивление Дк (одна из важных характеристик кварцевого резонатора, которая дает представление о качестве пьезоэле мента), сильно зависят от внешних факторов. например, изме» ния механического контакта крепления пьезоэлементов в кварщ держателе сказываются на эквивалентных (параметрах Ск и нежелательные резонансы пьезоэлементов, лежащие близко к новному, качество металлического покрытия пьезоэлементов, пр; родные дефекты пьезокварца влияют на эквивалентные параметр] lk, ск, Rk- плохое качество обработки поверхностей пьезоэлеме! тов, оседание влаги на их поверхности увеличивают эквивалент- иое сопротивление Rk. слой окиси на металлическом покрытии и наличие промежуточного слоя между пластиной и покрытием могут сказаться на величинах lk, ск, Rk. наконец, газовая среда, в которой колеблется пьезоэлемент, может вызвать изменение этих эквивалентных параметров. емкость со зависит в "основном от площади и толщины пьезоэлементов.

Резонансные явления в струне-отводе крепления пьезоэлемент] та. некоторые параметры кварцевого резонатора могут изменять-] ся вследствие колебаний изгиба, возникающих в струнах-отводах крепления пьезоэлемента. взаимодействие колебаний пьезоэлемента и отвода вносит затухание в колебания пьезоэлемента. это явление происходит при определенных длинах струн, при это.м изменяются эквивалентное сопротивление пьезоэлемента и егь резонансная частота.

можно выбрать такие длины струны, при которых эти резонансные явления будут отсутствовать. так как волновое сопротивление струны относительно мало, достаточно небольшого отклонения длины струны от критической, чтобы избавиться от нежелательного влияния резонанса. при этом малые допуски на длину отвода выдержать трудно, так как следует учитывать влияние на нее изменения температуры.

известен способ, -помогающий избежать резонанса струны. для этого Применяется -шарик, а на более высоких частотах - диск из припоя, который напаивается на струну и делит ее на две части. часть струны между шариком и точкой крепления струны к стойке .кварнедержателя практически в колебаниях не участвует, так как Шарик играет роль зажима в этой точке, поэтому на данном участке струну можно крепить к стойке в любой точке. так как струна укорачивается из-за Применения шарика,, то она. менее под-44

цержена влиянию темпе(ратуры. Расстояние между шариком и -конусом припоя., на пьеЗОЭлементе. зависит от частоты колебаний пьезоэлемента.

шарик или диск следует закреплять на струне-отводе на расстоянии X (рис. 1.30), при котором струна вносит минимальное затухание в -колебания пьезоэлемента. это расстояние соответствует 1/4, 3/4 и т. д. стоячей вол-ны, распространяющейся по струне. При расстоянии X, равном 1/2 и т. д. стоячей волны, струна вносит наибольшие затухания в -колебания пьезоэлемента, так -как шарик не влияет на колебания струны. точность расположения шарика на струне около 0,25 мм. расстояние х определяется для каж-дого типа пьезоэлементов экспериментально.

в табл. 1.10 приведены данные, полученные в диапазоне частот от 22 до 800 кгц, для струны диаметром 0,15 мм. для струны диаметром 0,2 (ММ ма-осу -шарика следует увеличить в 1,8 раза, а ра-с-стоЯНие взять равным 1,12л;.

Таблица 1.10

Частота резонаторов, кГц

Расстояние х, мм

Масса груза, г

Частота резонаторов, кГц

Расстояние х, мм

Масса груза, г

22--38

2,35

0,081

251 - 350

1,70

0,022

39-59

1,90

0,081

351 - 450

1,40

0,012

60 - 89

1,65

0,054

451 - 600

1,24

0,009

90 - 150

1,20

0,054

601 - 800

1,00

0,006

151-250

0,95

0,022

1.12. ЧАСТОТА И ЧАСТОТНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ КВАРЦЕВОГО РЕЗОНАТОРА. УСЛОВИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ, МОЩНОСТЬ РАССЕЯНИЯ, АКТИВНОСТЬ, ДОБРОТНОСТЬ И ТЧХ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ

к кварцевым резонаторам предъявляется ряд требований по точности настройки частоты, -по условиям возбуждения и мощности ра-ссеяния, по а-ктивности, т. е. амплитуде напряжения на вы-, холе кварцевого генератора, по добротности и связанному с ней шачению Rk - активному сопротивлению кварцевого резонатора, а также по значениям lk и Ск - динамическим эквивалентным индуктивности и емкости пьезо-элементов кварцевых резонаторов, по уходу частоты при изменении окружающей температуры, т. е. ткч (температурный коэффициент частоты резонаторов).

Частотный коэффициент. одной из величин, характеризующих кварцевый резонатор, является частотный коэффициент Nj или, как его иногда называют, волновой коэффициент (частотная постоянная) .{он связывает резонансную частоту пьезоэлемента с его размерами, определяющими частоту данного cpe3ajчастотный коэффициент выражается в кило-герцах-миллиметрах (кгц-мм). величина Nf, к-гц-мм, определяется равенством,

Nf = f,a,




где fp - резонансная частота пьезоэлемента; а - размер пьезоэлемента, определяющий частоту колебаний. При продольных колебаниях по длине прямоугольного пьезоэлемента а==/ его

длине. При радиальных колебаниях круглого диска a=d - диаметру пьезоэлемента. Для колеблющихся по толщине пьезоэлементов a=s - толщине.

Из равенства видно, что если размер пьезоэлемента, определяющий частоту его колебаний, равен 1 мм, частота колебаний пьезоэлемента, выраженная в килогерцах, будет численно равна частотному коэффициенту.

Частотный коэффициент зависит также от плотности кварца и его упругости. Так как упругие постоянные кварца различны в разных направлениях по отношению к кристаллографическим осям, то частотный коэффициент будет зависеть также от угла среза кристаллического элемента. Наиболее точно частотный коэффициент может быть определен экспериментально.

В табл. 1.11 приведены характеристики срезогв пьезоэлементов. Там же указано применение срезов для различных диапазонов частот.

Условия возбуждения и мощность рассеяния кварцевых резонаторов. Условия возбуждения кварцевого резонатора характеризуются уровнем возбуждения, величина которого может быть выражена в единицах мощности (мегаваттах), рассеиваемой на пьезоэлементе кварцевого резонатора, а также в единицах тока или напряжения.

В табл. 1.12 указаны рекомендуемые значения мощности рассеяния на пьезоэлементах резонаторов во время их эксплуатации и испытаний в зависимости от диапазона частот и вида колебаний. Допускаются отклонения на ±20%• Превышение допустимого значения мощности, рассеиваехмой на пьезоэлементе кварцевого резонатора, не приводит к разрушению пьезоэлемента. Исключением являются низкочастотные пьезоэлементы, разрушение которых в ЭТО.М случае - частое явление. Однако превыщение уровня возбуждения приводит к нестабильности работы кварцевого резонатора и может вызвать необратимые уходы частоты. Известно, что пьезоэлемент в результате значительного перевозбуждения разрушается, но совсем не принимается во внимание, что уровень возбуждения, недостаточный, чтобы разрушить пьезоэлемент резонатора, может привести к увеличению температуры пьезоэлемента и вследствие этого к нарушению нормальной работы кварцевого резонатора. В нормальных условиях возбуждения частота колебаний резонатора после включения не изменяется. При повышенном Уровне возбуждения часто наблюдается изменение частоты даже после нескольких минут работы.

На рис. I.3I представлены полученные В. Паевским [33] кривые изменения частоты пьезокварцевых резонаторов 2,5 МГц (кривая /) и 5 МГц (кривая 2) в-зависимости от увеличения тока. При токе 20-30 мкА частота «практически не изменяется и резко Увеличивается при увеличении тока до 100 мкА и более. Эти яв-



Диапазон частот, кГц

Вид колебаний пьезоэлемента

4-50 30-150

50-500

150-500

800-J о ООО

Изгиб Кручение

Растяже-

Hiie - сжатие. Сдвиг по контуру (по грани) Кручение

i 5 о к щ"

Диапазон частот кГц

Таблица l.fj

Вид колебаний пьезоэлемента

Максимально до, пустииая мощьостк рассеяния, MBj

10000-20 ООО 10 000-20 ООО

20 000-60 000 То же

50000-125 0001

Сдвиг по толщине / Сдвиг П(/ толщине 3-я rapido-ника

I Сдвиг по толщине. 5-я гармоника

2,5-5 2-4

г if

ления обусловлены рядом причин, например нарушением поверх ностного слоя Пьезоэлемента вследствие больших ускорений, вы званных приложенным -к его электродам напряжением, и жестко сти системы крепления.

Изменение частоты вызывается также изменением упруги; свойств кварца из-за неравномерного нагрева пьезоэлемента, ко-

горый в центральной части разогре вается сильнее, чем на периферии. Если прогревание пьезоэлемента и изменение упругих свойств кварца вызывают изменение частоты в одну сторону, то нестабильность резонатора может быть обусловлена только этими факторами.J

Эксперименты показывают, что

<71-«-----для резонаторов с пьезоэлемента-

Рис. 1.31. Кривые изменения час »™ «" прогреванием могут быть тоты кварца Обусловлены значительные измене-

ния частоты при мощности рассеяния 3-4 МВт. Следовательно, указанная мощность (для некоторых случаев до 5-10 МВт) должна рассматриваться как предельная.

Имеющиеся данные о влиянии Змилптуды колебаний на уход частоты показьрвают, что изменение уровня возбуждения, равного 48


2,0 МВт, на 10% вызывает уход частоты на 50•10- тогда как из-менеаие на 10% уровня возбуждения, равного 0,5 МВт, вызываег уход частоты, в 10 раз меньший, т. е. 5-10~. Таким Образом, лри меньшем уровне возбуждения достигается значительное повышение стабильности частоты.

Кро.ме того, при возрастании уровня возбуждения резко увеличивается связь основного колебания пьезоэлемента с нежелательными резонансными частотами. Следует иметь в виду, что пьезоэлементы различных срезов по-разному реагируют на увеличение уровня возбуждения.

Если уровень возбуждения дается в единицах тока или напряжения, их номинальные значения следует выбирать исходя из значения мощности, устанавливаемого табл. 1.12. Для этого должно быть известно эквивалентное сопротивление резонатора.

К резонаторам с повьшенньши требованиями К их п*ара1.метрам (стабильность частоты, лостоянство зквивалентного сопротивления в интервале температур) и к прецизионным резонаторам значения, указанные в табл. 1.12, не применимы. В этом случае значение мощности, рассеиваемой на пьезоэлементе резонатора не должно превышать 10 мкВт

Таким образом, выходная мощность кварцевого генератора должна быть небольшой, чтобы обеспечить его работу при номинальном уровне возбуждения.

Мощность, рассеиваемая на пьезоэлементе кварцевого резонатора при его работе в схе.ме, вычисляется по его из.меренны.м па-ра.метра.м: эквивалентной индуктивности Lk, Гн, или добротности Q, эквивалентному сопротивлению R,,, Ом, статической емкости Со, Ф, и частоте последовательного резонанса fi, Гц, а также по значению тока /к. А, протекающего через резонатор, или значению падения напряжения на резонаторе t/к, В.

Мощность рассеяния на пьезоэлементе кварщевого резонатора рассчитывается по одной из формул:

(1-1То) + т2

ИЛИ = -

где I - обобщенная расстройка частоты автоколебаний генератора относительно частоты (последовательного резонанса кварцевого резонатора

r = 2nfiCoRK,

fl - частота последовательного резонанса кварцевого резонатора, Гц; /к - действующий ток, протекающий через резбнатор, измеренный в рабочей схеме генератора. А; / - частота колебаний резонатора, измеренная в рабочей схе.ме генератора, Гц; - действующее напряжение на резонаторе, В.



[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]

0.0008