Název: Piezoelektrické snímače Zkratka: PS Typ: povinně volitelný Rozsah: 14 týdnů, týdně 2 hodiny přednášek + 2 hodiny seminárních cvičení Způsob ukončení: zkouška Katedra: katedra elektrotechniky a elektromechanických systémů FM TUL Přednášející: Prof. RNDr. Ing. Miloslav Košek, CSc.
Stručná anotace předmětu:Předmět se zabývá využitím piezoelektrického jevu ve snímačích a aktuátorech. Hlavní pozornost je soustředěna na pochopení principů, poněvadž se jedná o teoreticky poměrně náročnou látku. Jádrem předmětu je analýza a návrh piezoelektrických prvků, které probíhají na několika úrovních stále složitějších modelů. Nezanedbávají se ani parazitní jevy. Cílovou částí jsou pak aplikace v oblasti snímání fyzikálních veličin a jemného ovládání mechanických zařízení. Na cvičeních je kladen důraz na samostatnou tvůrčí práci studentů v oblasti jak teoretické (výpočty parametrů, analýza a návrh prvků), tak experimentální (měření na prvcích a vyhodnocení jejich parametrů).
Témata přednášek:Základy krystalografie. Definice krystalu, popis krystalu (základní či elementární buňka, Milerovy indexy). Prvky souměrnosti, definice a vlastnosti. Prostorová a bodová grupa symetrie. Krystalografické třídy a soustavy. Neumanův princip, souvislost symetrie krystalové struktury a fyzikálních vlastností materiálu.
Úvod do tenzorů, případně doplnění poznatků. Transformace souřadné soustavy, vysvětlení a definice tenzorů druhého řadu. Kvadrika symetrického tenzoru druhého řádu. Hlavní osy a hlavní hodnoty symetrického tenzoru. Radiální a axiální vektor. Tenzorový popis pootočení.
Tenzor napětí a deformace. Složky tenzoru napětí. Odvození pohybové (vlnové) rovnice, podmínka symetrie tenzoru napětí. Případy jednoduchých napětí, transformace do hlavních os. Definice posunutí, tenzorový tvar pro posunutí. Rozklad tenzoru posunutí na čistou deformaci a pootočení jako celek. Příklady jednoduchých deformací, tah, prostý a čistý střih. Grafické znázornění deformace a pootočení.
Popis piezoelektrického materiálu. Tenzor permitivity, piezoelektrický a elastický tenzor. Náhrada dvou indexů jedním. Příklady reakce anizotropnmího materiálu na jednoduché namáhání.
Šíření elastických vln v neomezeném anisotropním prostředí. Akustická rychlost, tok energie. Směr hustoty toku energie, grupová a fázová rychlost. Okrajové podmínky a jejich vliv na řešení vlnové rovnice. Povrch reciproké rychlosti a jeho fyzikální význam. Koeficient elektromechanické vazby.
Elektroakustická analogie. Ekvivalentní akustické (mechanické) a elektrické veličiny. Náhradní obvody s rozloženými a soustředěnými parametry.
Piezoelektrický měnič a jeho modely. Bodové zdroje, Masonův náhradní obvod a fyzikální model. Odvození Masonova náhradního obvodu z jednoduchého řešení vlnové rovnice.
Piezoelektrický snímač síly a elastického napětí. Statický náhradní obvod, odvození základních parametrů z tohoto obvodu.
Piezoelektrický snímač zrychlení, realizace. Odvození základních parametrů z dynamického náhradního obvodu. Parasitní vliv mechanické resonance, odhad tohoto jevu. Parazitní jevy, citlivost na příčná zrychlení.
Ulrazvukové měniče. Realizace a základní vlastnosti. Šíření ultrazvukové vlny, difrace, odraz, rozptyl. Využití ultrazvuku k měření vzdálenosti.
Složitější senzorové systémy - systémy s mnoha vysílači a přijímači. Určení výsledné amplitudy od vysílačů. Použití ke snímání polohy. Moderní radarové systémy.
Senzory s povrchovu akustickou vlnou. Bezdrátové a bezezdrojové prvky pro identifikaci a snímání stavu či hodnoty fyzikální veličiny.
Piezoelektrické aktuátory, princip, realizace, vlastnosti, použití.
Perspektivy piezoelektrických senzorů.
Náplň cvičení:Bodová grupa symetrie dvourozměrného krystalu. Sestavení ekvivalentních bodů. Určení Milerových indexů. Principy rentgenového zkoumání struktury.
Jednoduché transformace tenzorů druhého řádu. Mohrova kružnice. Určení hlavních hodnot a směrů v jednoduchých případech. Zobrazení kvadriky pomocí počítačové grafiky.
Složky tenzoru napětí a deformace, změna při změně souřadné soustavy. Příklady na střihové napětí, prostou a čistou střihovou deformaci. Popis teplotní roztažnosti krystalů.
Transformace materiálových vlastností piezoelektrických látek. Čtyři piezoelektrické stavové rovnice a přechod mezi nimi. Výpočet reakcí na jednoduché působení.
Numerické řešení vlny v neomezeném prostředí. Určení směru složek posunutí, směru toku energie a grupové rychlosti. Zobrazení reciproké rychlosti pomocí 3D grafiky.
Náhradní elektrická schémata akustických soustav. Akustické soustavy s rozloženými parametry. Přenos signálu. Výkonové přizpůsobení.
Odvození charakteristik piezoelektrického měniče z Masonova náhradního obvodu. Praktická aplikace těchto výpočtů - oblast použití snímačů.
Návrh snímačů. Výpočet jejich parametrů.
Piezoelektrický prvek jako snímač napětí, měření jeho charakteristik. Používané měřící obvody.
Zapojení a měření pomocí snímače zrychlení. Zápis časového průběhu na paměťovém osciloskopu, přenos dat do počítače a jejich vyhodnocení.
Měření vzdálenosti pomocí ulrazvuku. Stojaté vlny. Roztyl ultrazvuku.
Měření základních parametrů piezoelektrického aktuátoru.
Literatura:Petržílka V., Slavík J., Šolc I., Taraba O., Tichý J., Zelenka J.: Piezoelektřina a její technické použití, NČAV, Praha, 1960
Merhaut J. : Teoretické základy elektroakustiky, Academia, Praha, 1978
Zelenka J.: Piezoelektrické resonátory a jejich použití, Academia, Praha, 1983
Prerekvizity: -Navazující: -
Datum poslední změny: 8. 1. 2002