Влияние старения на частотные характеристики пьезоэлементов датчика угловых скоростей

Пьезоэлемент в математическом приближении представляет собой некую пружину с коэффициентом жесткости и амплитудой колебания. Мощность рассеивания энергии пьезоэлемента показывает, какие токи или напряжения допустимы при его стабильной работе.

Свойства пьезокерамики и соответственно элемента могут меняться в процессе эксплуатации. Причиной этого является старение, т.е. частичная

деполяризация из-за диффузного поворота доменов и возможно из-за морфотропных переходов. При естественном старении снижаются значения ε^τ₃₃lε₀, d_3i, k_p,а значение Q_mповышается. Для стабилизации устройств производят их искусственное старение за счёт выдержки в электрическом поле. Процесс старения пьезокерамики обусловлен релаксацией механических напряжений, где особую роль играет перестройка доменной структуры к более стабильной конфигурации, соответствующей минимуму свободной энергии. Считается, что процесс искусственного старения позволяет уменьшить диэлектрическую проницаемость ε₃₃!ε₀,коэффициент электромеханической связи к_pи увеличить добротность.

Для оценки влияния температурного процесса старения на резонансные частоты пьезоэлемента необходимо знать изменения от температуры всех параметров керамики ЦТС: пьезомодуля t∕₃₃, диэлектрической проницаемости ε₃₃ ∕ε₀,упругих податливостей.

Для исследования влияния старения на пьезоэлектрические свойства керамики ЦТС, был изготовлен стандартный образец 010 ? 1,0 мм и проведены измерения электростатической ёмкости образца после 1, 2 и 3 суток старения при температуре +60 ⁰C. Изменения относительной диэлектрической проницаемости, имеющие место в результате температурного процесса старения отражены на рис. 4.5.

Таким образом, для керамики ЦТС установлена зависимость диэлектрической проницаемости от времени старения. Старение в течение от 2 до 4 суток приводит к снижению значения диэлектрической проницаемости на 0,1%.

Для определения влияния изменений протекающих в пьезокерамике на выходные характеристики датчика был проведён эксперимент по получению зависимости рабочей частоты датчика от температуры до и после старения.

Рис. 4.5. Зависимость диэлектрической проницаемости от времени старения, при температуре +60 ⁰C

Экспериментальному исследованию подвергались четыре пьезокерамических биморфных элемента, изготовленных по технологии литья пьезокерамической плёнки. Режим старения для биморфных элементов был выбран следующий: температура +60 ⁰C, время 12 часов. Измерения резонансной частоты колебания элементов показали ее изменение в результате старения (табл. 4.6, 4.7; рис. 4.6-4.13) во всем температурном диапазоне от - 40 до +60 ⁰C.

Согласно проведенным экспериментам, уход частоты резонанса колебаний биморфного элемента по оси XhYсоставляет ≈ 1,3% для всей партии.

Таким образом, в результате экспериментов показано, что отклонение относительной частоты пьезоэлементов из порошков материала ЦТС-40, полученных при температуре спекания 1120 ⁰C, не превышает 0,5%, что обеспечивает минимальное отклонение рабочей частоты пьезокерамического фильтра в диапазоне температур от - 60 до +85 ⁰C. Также, преимущественным является использование высокостабильной пьезокерамики ЦТС-40 для биморфных пьезокерамических элементов для 95

датчиков, что обеспечивает более стабильную работу всего устройства и достаточно быстрый выход на рабочий режим, чем при использовании традиционной пьезокерамики ЦТС-47 [103].

Таблица 4.6 - Значения частот биморфных элементов четырёх датчиков в диапазоне температур от минус 40 до плюс 60 ⁰C до старения

Таблица 4.7 - Значения частот биморфных элементов четырёх датчиков в диапазоне температур от минус 40 до плюс 60 ⁰C после старения

Рис. 4.6. Изменение частот колебаний элемента №1 по осям XhY до старения

Рис. 4.7. Изменение частот колебаний элемента №2 по осям X и Y до старения

Рис. 4.8. Изменение частот колебаний элемента №3 по осям X и Y до старения

Рис. 4.9. Изменение частот колебаний элемента №4 по осям X и Y до старения

Рис. 4.10. Изменение частот колебаний элемента №1 по осям XhYпосле старения

Рис. 4.11. Изменение частот колебаний элемента №2 по осям XhYпосле старения

Рис. 4.12. Изменение частот колебаний элемента №3 по осям XhYпосле старения

Рис. 4.13. Изменение частот колебаний элемента №4 по осям XhYпосле старения