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]

упругости, плотности и линейного размера кристаллического элемента, определяющего его частоту. Однако имеется ряд других, косвенным образом связанных с -перечисленными величинами факторов, которые в той или иной степени влияют на температурную характеристику резонаторов; -прежде всего это относится к геометрии пьезоэлемента. Расчет углов -среза льезоэлементов ух11 + ЪЬ°, yxll-49° и других срезов с колебання-ми сдвига но толщине про- изводится на основании эмнирических соотношений и графиков полученных экспериментальным путем. ТКЧ низкочастотных резонаторов труднее контролировать, чем высокочастотных, в-Следстви1 появления связанных колебаний и влияния системы кре(пления, Геометрия пьезоэлемента -связана с ТЧХ резонатора через связанные колебания, о наличии которых свидетельствуют отклонени: реальных характеристик температурной зависимости ча-стоты от идеальной кубической параболы.

Геометрия пьезоэлемента подбирается та-ким образом, чтобы связанные колебания -сдвига по -контуру и колебания изгиба не влияли на частоту нли чтобы связь их с основным резонансом не проявлялась в пределах рабочего интервала температур.

Большое влияние на ТЧХ резонаторов как в процессе их эксплуатации, так и -при испытаниях оказывает температурный градиент, т. е. скорость изменения температуры среды, в -которой находится резонатор.

Исследованиями установлена возможность изменения хода кривой температурной зависимости частоты резо-наторов путем изменения количества -припоя, иепользуемого -при монтаже кристаллического элемента.

Применение клея вместо припоя для крепления шьезоэлемента, а также фаски, шлифуемой на пьезоэлементе очень -крупны1м абразивом, приводит к значительному затуха-нию интерферирующих колебаний, снижая до минимума их влияние на основную ча-стоту колебаний, и тем самым значительно улучшает характеристику температурной зависимости частоты резонатора.

В -некоторых случаях для уменьшения изменения частоты резонатора в широ-ком интервале температур используется воздействие давления на колеблющийся пьезоэлемент. Для этой цели пьезоэлемент монтируется в держателе -специальной -конструкции с биметаллическими элементами, -которые в зависимости от температуры оказывают различное давление на пьезоэлемент. С помощью этого метода уходы частоты для элементов среза ух1/ + 35° могут быть уменьшены от ±16-10" до ±1-10-, что позволяет создать резонаторы для широкого интервала температур без шри-менения тер.мостатов. Разработаны конструкции резонаторов, тер-мокомпенсированных методом механического давления на пьезоэлемент.

На рис. ГЗЗ приведены кривые зависимости относительного изменения резонансной частоты пьезоэлементов различных -косых срезов от температуры. Из этих кривых следует, что наименьшим ТКЧ, -причем в -широком интервале температур, -отличается срез

yxls/ + bri + 45°. Однако наличие значительного нежелательного резонанса вблизи от основной частоты ограничивает -широкое применение этого среза.

Кварцевые резонаторы среза ух1/+35°15 имеют небольшой ТКЧ в довольно широ-ком интервале температур; изменением угла среза в пределах 1,5° можно изменить форму температур ной. кривой этого среза и сместить ее в желаемую сторону.

20 1й D

г-10

1/+5

>

4- 1

п on

Рис. 1.33. Температурно-частотные характеристики различных срезов кристаллических элементов

Частота пьезоэлементов среза yxll-49°, yxlj-51°, yxl/+38° из- ~ меняется по -параболе в зависимости от температуры, причем более пологая -парабола у -среза ух1/-49°, круче у среза ух1/-51° н наиболее крутая -парабола у среза ух11 + 38°. (Вообще большинство срезов -кварцевых резонаторов, кроме срезов yxll+ 35° к r/,v/s/+5I°/ + 45°, имеют температурную зависимость параболического характера.) Нулевые ТКЧ этих -срезов на.ходятся в одной: температурной области.

Изменив угол среза, можно сместить прямолинейный участок-частотной характеристики, а также сделать ТКЧ равным нулю в любой точке интервала рабочих температур. Пра-ктически значение угла среза -пьезоэлементов выбирается с таким расчетом, чтобы нулевое значение ТКЧ совпадало примерно с серединой рабочего интервала температур кварцевого резонатора.

1.13. РАБОТА КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ

С КОЛЕБАНИЯМИ НА ВЫСШИХ ГАРМОНИЧЕСКИХ

ЧАСТОТАХ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТОВ

Электрические гармоники. В случае электрического умножения Частоты анодный контур генератора настраивается не на первую гармонику анодного тока, а на вторую, третью или более высокую



гармонику. Режим работы генератора должен обеспечить макс) мальное значение той гармоники анодного тока, которая соотвс ствует степени умножения частоты. При удвоении частоты кэле-ч бательный контур генератора настраивается «а вторую гармонику анодного тока. В этом случае лМожно пренебречь напряжениями, которые создаются на контуре первой, третьей и более высокиыл гармониками, так как для все.х этих токов контур представляет с( бой ничтожно малое сопротивление по сравнению с его сопроти] лением для тока второй гармоники, на которую он настроен.

В настроенном анодном контуре можно получить гармонике всех порядков, четные и нечетные. Однако использование электри] ческих гармоник для получения более высоких стабилизированны; частот не оправдывается, так как уход частоты при измененн; температуры также меняется и зависит от порядка электрически: гармоник.

Механические гармоники. В пьезоэлементе кварцевого резона-; тора можно возбудить колебания, которые являются механической гармоникой основной частоты колебаний. Примером таких коле< баний могут быть высокочастотные колебания сдвига по толщиш пьезоэлементов срезов ух11 + ЪЪ° и yxlj-49° на третьей, пятой т. д. нечетных гармониках. Для их возбуждения существуют специальные схемы. При работе на высоких частотах этот способ обладает тем преимуществом, что можно увеличить толщину пьезоэлементов. Это значительно снижает трудоемкость их изготовления, так как во всех случаях шлифовка очень тонких пьезоэлементов достаточно сложна.

Если размер пьезоэлемента рассчитывается для работы на частоте третьей гармоннки, то при этом надо помнить, что в связи с особенностями распространения упругих колебаний в пьезоэлементе соотношение между основной частотой и ее гармоникой только приблизительно равно целому числу, обозначающему порядок гармоник. (Частота колебаний пьезоэлемента, возбужденного на и-й механической гармонике, несколько ниже частоты основных колебаний, умноженной на п.) Только на высших гармо-: яиках можно считать их кратными.

В правильно настроенном на частоту третьей гармоники кварцевом генераторе не возникают нежелательные колебания, в том числе колебания основной частоты. Следует учесть, что параметры резонатора, работающего на третьей гармонике, отличны от параметров резонатора, работающего на основной частоте или любой другой гармонике. Кроме того, на эти параметры по-разному влияет работа на нечетных гархМониках механических колебаний по толщине.

В литературе [10, 21] приводятся следующие выражения для эквивалентных параметров кварцевого пьезоэлемента при работе на механических гармониках:

8е2 Si 1

р

8 82 S,

i

88 ~"

Q =-PlL = VT

г/Ск

1 YE9 я F

"де p - плотность кварца; e - пьезоэлектрическая постоянная; E - модуль упругости (модуль Юнга); ¥ - коэффициент трения; i - толщина пьезоэлемента; Si - действующая площадь пьезоэлемента; п~\, 2, 3, ... - порядковый номер гармоники.

Динамическая индуктивность Z-k зависит только от среза и геометрических размеров кристаллического элемента и не за(висит от, номера гармоники. Динамическая емкость Ск обратно пропорцио-кальна квадрату номера гармоники. Сопротивление увеличивается пропорционально квадрату номера гармоники, следовательно, активность резонаторов с увеличением номера гармоники падает. Добротность резонаторов Q обратно пропорциональна порядковому номеру гармоники.

Однако такие характеристики резонатора, как относительная нестабильность частоты при воздействии механических и климатических факторов и старение, будут одинаковы при работе резонаторов как на основной частоте, так и на гармониках.

Высокочастотные пьезоэлементы срезов г/х + 35°15, yxlj-49° и других, совершающие колебания сдвига по толщине, могут возбуждаться только на нечетных гармониках основной частоты, так как при возбуждении на четных гармониках на обеих гранях пьезоэлемента будут одинаковые потенциалы и явление пьезоэффекта не возникнет. Надо отметить, что низкочастотные пьезоэлементы срезов .vys/ + 5°, y-c/sZ-f 51°307+45° и других, совершающие колебания сжатия-растяжения, .могут возбуждаться как на нечетных, так и на четных гармониках основной частоты, но их крепление в кварцедержателях при возбуждающих колебаниях на четных гармониках конструктивно недостаточно разработано.

Работа кварцевого резонатора на третьей механической гармонике происходит следуюшим образом.

На кварцевый резонатор подается напряжение V частотой I! пьезоэлемент начинает колебаться с частотой ]\, определяемой его расчетными размерами и гармониками. Частота напряжения,, возбуждающего колебания пьезоэле.мента, обычно значительно Ниже частоты его собственных колебаний. В анодном контуре, рассчитанном на частоту 3/i (третьей гармоники), колебания частоты /i и других высших гармоник затухают, а частота Ъ\\ усиливается и подается на кварцевый резонатор, воз1буждая его на частоте 3fi. Колебания пьезоэлемента на этой частоте усиливаются, и генера-""ор продолжает работать на третьей гармонике колебаний пьезоэлемента.

59»



1.14. ОСОБЕННОСТИ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ФИЛЬТРАХ

В резонаторах, применяемых в фильтрах, используются в основном те же виды колебаний, что и в генераторныхкварцевых резонаторах. В фильтрах применяются двух- и четырехэлектродные вакуумные кварцевые резонаторы. В специальных схемах много звенных кварцевых фильтров наиболее часто используются четы рехэлектродные резонаторы как более экономичные, так как та кой кварцевый резонатор эквивалентен двум двухэлектродным ре зонаторам. Наличие в любом пьезоэлементе нежелательных резо нансных частот наряду с основной частотой колебаний заставляе особенно тщательно выбирать тип среза пьезоэлемента при использовании его в фильтровой схеме. Необходимо, чтобы его нежелательные резонансы были сдвинуты относительно основной частоты, не участвовали в основных колебаниях и не влияли на характеристику фильтра.

Таким образо1м, величина нежелательных резонансов и их сдвиг относительно основной частоты являются определяющими при выборе кварцевых резонаторов для электрических фильтров. Наряду с этим важно иметь минимальное значение ТКЧ и достаточно большую добротность. Пьезоэлектрические фильтры обладают большей стабильностью характеристик, что является их преиму-ществом перед другими видами фильтров. Стабильность парамет- ров таких фильтров выше, чем у электрических фильтров, вследствие высокой стабильности параметров кварцевых резонаторов.

Кварцевые резонаторы для фильтров рассчитываются на за данную частоту и эквивалентную индуктивность, известную из расчета схемы фильтра.

1.15. ТЕРМОСТАТИРОВАНИЕ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ

Одним из способов уменьшения ухода частоты резонаторов в широких пределах изменения температур является термостатиро-вание. Кварцевый резонатор помещают в термостат, в котором автоматически поддерживается ностоянная температура.

Приведем некоторые термины, относящиеся к иопользованию термостатов.

Диапазон температуры окружающей среды, в котором термостат выполняет свою регулирующую функцию.

Рабочая температура термостата, устанавливаемая для центра внутреннего пространства термостата.

Точность поддержания внутренней температуры тер моста та, характеризуемая значением температуры в центре тер.мостата.во время переключения с подопрева на остывание и обратно, при этом практически исключается влияние окружающей температуры среды.

Температурная характеристшка термостата - изменение температуры термостатируемого резонатора при изменении температуры окружающей среды. .60

Темпер."-yta окружающей среды - основной дестабилизирую-фактор термостатов, так как она может меняться в широких пределах с перепадом до 185°С.

Для улучшения температурной характеристики термостатов применяется двойное термостатирование, что приводит к увеличению габаритных размеров и массы устройства, дополнительному оасходу мощности и не всегда выполнимо.

Широко применяемый на практике термостат представляет собой замкнутую камеру, термоизолироваяную от внешней среды, источника подогрева и терморегулятора. Температура внутри камеры термостата поддерживается постоянной с точностью At. График колебания температуры в термостате показан на рис. Г34.

Термостатирующие устройства в зависимости от характера подводимой .мощности бывают с прерывистым и непрерывным ул-павлением мощностью подогрева. При прерывистом управлении тепловая энергия от нагревателя поступает в камеру тепла с перерывами - нагрев сменяется о.хлаждением. При непрерывном управлении тепловая энергия поступает в камеру тепла постоянно и регулируется терморегулятором. С понижением внешней температуры поступление тепловой энергии увеличивается и наоборот. Включение и выключение подогревной системы камеры производятся через реле, управляемое ртутным, биметаллическим или другим терморегулятором. Ртутный терморегулятор жидкостного типа достаточно надежен и прост.

Терморегулятор с двумя контактами замыкает цепь электрического тока, когда температура достигает установленного значения. Для регулирования температуры срабатывания верхний контакт может перемещаться. В ртутных терморегуляторах для обеспечения точной работы ток в цепи не должен превышать десятков микроампер при напряжении не выше 20 В. Ртутный терморегуля- тор может обеспечить точность регулирования до сотых долей градуса.

Он не может работать при низких температурах, так как при -39°С ртуть замерзает.

К датчикам температуры относятся также терморезисторы - резисторы с большим температурным коэффициентом (ТКС), изготовленные из полупроводникового материала. У терморезисторов сопротивление у.меньшается с ростом температуры.

Температурный коэффициент терморезисторов рассчитывается по формуле


Рис. 1.34. График колебания температуры в термостате

ТКС=-В!Т\



[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]

0.0007