curs 6 traductoare genera to are

8/3/2019 Curs 6 Traductoare Genera to Are

1/17

6. TRADUCTOARE GENERATOARE

Din grupa traductoarelor energetice, cele mai utilizate sunt traductoarele:electrodinamice, termoelectrice, piezoelectrice i fotoelectrice.

Traductoarele electrodinamice funcioneaz pe principiul generrii prin inducie a

unei tensiuni ntr-un conductor situat perpendicular pe liniile de for ale unui cmpde inducie i care se deplaseaz ntr-o direcie perpendicular pe cea a liniilor defor i a sa proprie (fig. 3.5.). Tensiunea generat la bornele bobinei este:

vlBU = 8

10

n care:

B este densitatea fluxului, n gaussi;

l - lungimea conductorului din cmp magnetic, n cm;

v - viteza relativ a bobinei fa de cmpul magnetic, n cm/s.

Fig. 3.5. Principiul traductoarelor electrodinamiceAstfel de traductoare se folosesc curent pentru msurarea direct a vitezelor.

Traductoarele termoelectrice sunt denumite i termocuple i se folosesc lamsurarea temperaturii. Funcioneaz pe principiul apariiei unei tensiunielectromotoare (denumit i termoelectromotoare) ntr-un circuit compus din douconductoare din materiale diferite i care la unul din punctele de jonciune se

nclzete, iar la cellalt se menine, la o temperatur constant (0, 20 sau 50oC).Mrimea tensiunii electromotoare depinde de diferena de temperatur a punctelorde jonciune ale conductoarelor termocuplului.

Traductoarele piezoelectrice se bazeaz pe proprietatea pe care o auanumite materiale, denumite materiale piezoelectrice, de a genera o sarcinelectric atunci cnd sunt supuse unei solicitri mecanice. De exemplu, opastil dintr-un astfel de material ( fig. 3.6.) solicitat la compresiune subaciunea forelor F se polarizeaz electric, ncrcndu-se la suprafa cu osarcin electric. Materialele piezoelectrice pot genera tensiuni electricerelativ mari. De exemplu, pentru un efort unitar ce produce o deformaiespecific 810= , un material piezoelectric caracteristic poate da natere lao tensiune electric de 0,2 V.


2/17

Fig. 3.6. Principiul traductoarelor piezoelectrice

Materialele piezoelectrice pot fi: cristale naturale (de exemplu cuarul),materiale cristaline sintetice (de exemplu, fosfatul diacid de amoniu) imateriale piezoceramice polarizate (de exemplu titanatul de bariu). Lamaterialele cristaline naturale i sintetice relaia dintre efortul unitar aplicati sarcina electric generat depinde de simetria cristalului, de direciaefortului unitar aplicat i de locul de plasare a electrozilor. La materialelepiezoelectrice polarizate, relaia dintre efortul unitar aplicat i sarcinaelectric generat depinde de direcia i mrimea polarizrii induse, de

direcia efortului unitar aplicat i de locul de plasare a electrozilor.Materialele piezoceramice polarizate au o constant dielectric ridicat i omare sensibilitate, de aceea pot fi utilizate i pentru msurarea unor eforturiunitare mici (sau unor mrimi care creeaz aceste eforturi unitare) i peperioade de timp mai lungi dect cristalele piezoelectrice. Datorit acestorfactori precum i uurinei de fabricare i costului redus, materialelepiezoceramice polarizate (n particular titanatul de bariu) sunt larg aplicaten construcia captorilor cu traductoare piezoelectrice (pentru msurri defore, presiuni, vibraii etc.).

Relaia dintre fora aplicat i sarcina electric generat de ctre traductorulcu discuri din material piezoelectric (fig. 3.7.) utilizat pentru determinareacaracteristicilor captorilor este:

Fdq = 332 [C]

n care:

q este sarcina electric generat de ambele discuri;

d33 - constanta piezoelectric a materialului n C/N (de exemplu, pentrutitanatul de bariu 1133 101613

= ...d C/N);

F - fora aplicat asupra discurilor piezoelectrice, n N.


3/17

Fig. 3.7. Schema captorului cu traductor piezoelectric.

Constanta piezoelectric, reprezint raportul dintre sarcina electric iefortul unitar aplicat. Indicii 33 se refer la cazul discului piezoelectricceramic supus unei fore de compresiune (sau de ntindere) n direciacmpului electric creat (adic perpendicular pe electrozii metalici). Pentrualte situaii se schimb constanta d33 cu una din constantele dij, n numr de21 n funcie de cele trei deformaii specifice, cele trei lunecri specifice icele ase eforturi unitare dintr-un punct.

Capacitatea electric CE a captorului, datorit celor dou discuri legate nparalel, este dat de relaia:

t

DCE

2

2

=

[F]

n care:

este constanta dielectric a materialului piezoelectric, n F/m (de

exemplu, pentru titanat de bariu11

101250 = F/m);D - diametrul discului, n m;

t - grosimea unui disc, n m.

Tensiunea electric e , n circuit deschis, este dat de relaia:

2

334

D

tFd

C

qe

E

==

[v]

Energia electric e generat de captor este exprimat de relaia:

2

22

33

24

2 D

tFd

C

qE

E

==

Proprietile titanatului de bariu obinuit depind foarte mult detemperatur. Acest efect scade considerabil prin adugarea unui anumitprocent de titanat de plumb, toate constantele materialului devenind multmai stabile fa de variaia temperaturii.

MATERIALE PIEZOELECTRICE

Piezoelectricitatea a fost descoperita n 1880, de catre fratii Pierre si Jacques Curie.Termenul provine de la piezen (gr.) care nseamna a apasa, deoarece efectul piezoelectricdirect presupune producerea electricitatii prin apasare.

3.1 Efectul piezoelectric

Descoperirea efectului piezoelectric a fost precedata si chiar favorizata de efectulpiroelectric, cunoscut nca din secolul al-XVII-lea, la cristalul de turmalina. Efectul piroelectricse manifesta la 10 clase de cristale care din cauza modului asimetric n care sunt distribuitesarcinile electrice prezinta fenomenul de polarizare spontana. ntr-o atmosfera normala,

polarizarea spontana trece neobservata, deoarece mediul ambiant contine suficienti ioni liberi ceneutralizeaza sarcinile superficiale. Odata cu cresterea temperaturii, ionii liberi neutralizatori,din atmosfera, sunt ndepartati si cristalul pare sa se fi ncarcat electric, n timpul ncalzirii.


4/17

Piezoelectricitatea apare numai n anumite materiale izolatoare si se manifesta prinaparitia sarcinilor electrice pe suprafetele unui monocristal care este deformat mecanic, ca nfig.3.1.


5/17

Prin aplicarea tensiunii mecanice, se produce o separare a centrelor de greutate a sarcinilor electrice, negative si pozitive, ceea ce da nastere

unui dipol electric,caracterizat printr-un moment electric dipolar.

Deci efectul piezoelectric directconsta din producerea curentului electric prin deformaresi este determinat de distribuirea asimetrica a sarcinilor electrice (nu exista centru de simetrie).Tensiunea electrica, generata prin efect piezoelectric direct, este direct proportionala cutensiunea mecanica aplicata si reciproc (n cazul efectului piezoelectric invers).

Dintre cele 32 de clase de cristale existente numai 20 pot prezenta efect piezoelectric.Majoritatea materialeor piezoelectrice prezinta o faza de nalta simetrie cristalina care aparedeasupra unei temperaturi critice (temperatura Curie = TC) si care nu se poate polariza spontan.Faza de la temperatura scazuta prezinta n general efect piezoelectric.

Dupa descoperirea piezoelectricitatii, s-a considerat multa vreme ca efectul piezoelectriceste limitat doar la monocristale, deoarece materialele policristaline au graunti orientati n modntmplator, astfel nct efectele lor se anuleaza reciproc, rezultnd un efect global nul.

n deceniul al-V-lea al secolului XX s-au descoperit materialele piezoceramice, cuconstante dielectrice, K, foarte ridicate. Constanta dielectrica este definita drept raportuldintre

permitivitatea electrica a dielectricului respectiv () si cea a vidului (0):

K = (3.1)

n care 0 = 8,8410-12 C2/Nm2. Majoritatea materialelor ceramice sunt considerate izolatoriobisnuiti daca au K < 12 si capacitori daca au K> 12. La materialele piezoelectrice K =200010000, atingnd chiar valori de pna la 30000, n functie de frecventa curentului electricaplicat.

Cele mai reprezentative materiale, cu efect piezoelectric important datorita unei valoriridicate a constantei dielectrice, sunt titanatii. Exemplul uzual l constituie titanatul de bariu,BaTiO3 (BT), a carei polarizare este prezentata n fig.3.2.

Se observa, din fig.3.2(a), ca deasupra temperaturii Curie (T > TC) celula elementara aBT prezinta o nalta simetrie cristalina iarsub TC cationii Ba2+ si Ti4+ se deplaseaza n raport cu


6/17

anionii O2-, producnd o polarizare spontana. Aplicarea unui cmp electric alternativ producedeplasarea alternativa a cationului Ti4+, ntre cele doua pozitii limita din fig.3.2(b).

La definirea polarizarii (sarcina pe unitatea de suprafata) se utilizeaza coeficientul decuplare piezoelectrica (coeficient piezoelectric) care se noteaza d. Acesta poate fi definitdrept viteza de variatie a polarizarii (P) n functie de tensiunea mecanica (), aplicata sub cmpelectric constant (E = ct.) sau drept viteza de variatie a deformatiei (S) n functie de cmpulelectric (E), aplicat la polarizare constanta (P = ct.), dupa cum este vorba despre efectul

piezoelectric direct sau respectiv invers:

d = (3.2)Pe lnga coeficientul de cuplare piezoelectrica exista si un coeficient de tensiune (g) care

descrie cmpul electric (E) produs de o tensiune mecanica (), aplicata la polarizare constanta(P = ct.):

g = (- P=ct., m2/C (3.3)

ntre coeficientul de cuplarea piezoelectrica (d) si cel de tensiune (g) exista o relatie deproportionalitate, prin intermediul permitivitatii electrice ():

d = g (3.4)

Cel de-altreilea coeficient, factorul de cuplare electromecanica, k, reprezinta eficacitatea transformariienergiei electrice n energie mecanica si vice-versa si se defineste prin:

Actuatorii trebuie sa aiba coeficienti de cuplare piezoelectrica, d, mari, pentru a puteadezvolta deformatii (curse) nsemnate la variatii mici ale curentului electric iarsenzorii trebuie


7/17

sa aiba coeficienti de tensiune g mari, pentru a genera tensiuni electrice importante la tensiunimecanice slabe.

Valorile temperaturii Curie (TC) precum si ale unor proprietati caracteristice, la Tamb, cumar fi polarizarea (P), coeficientii de cuplare piezoelectrica (d) si de tensiune (g) si constantadielectrica K, sunt sintetizate n tabelul 3.1.

Tabelul 3.1Proprietati piezoelectrice la Tamb

Nr.crt.

Materialul FormulaTC

0C

P

C/cm2

d33

10-12 C/N

g33

10-14 C/N

K

1 Cuart SiO2 573 - -2,3 -57,5 4

2Titanat de bariu

(BT)BaTiO3 130 26 191 11,4 2000

3Titanat-zirconatde plumb (PZT)

PbTi0,48Zr0,52O3 386 - 223 39,5 1500

4Titanat-zirconat

de plumb si

lantan (PLZT)

Pb0,88La0,08Zr0,35Ti0,65O3 65 47 682 20 3400

5Fluorura de

poliviniliden(PVDF)

(CH2-CF2)n 41 - 30 200 15

n conformitate cu cele aratate mai sus, titanatii sunt recomandati ca materiale pentruactuatori (au d mare) iarfluorura de poliviniliden ca material pentru (are g mare).

3.2 Actuatori piezoelectrici

Actuatorii piezoelectrici exercita forte mecanice ca efect al tensiunii electrice aplicate ,

prin efect piezoelectric invers. Deformatia tipica este de ordinul a 2-3 nsa cercetarile actualesunt directionate spre obtinerea unei deformatii de ordinul a 1 %. La aceste materiale, energiatransformata pe unitatea de volum este de ordinul a (0,18-120)103 J/m3.

Principalele calitati ale actuatorilor piezoelectrici sunt timpii redusi de reactie sicoeficientii ridicati de cuplare piezoelectrica. Ei se mpart n trei clase: monocristale, materialeceramice polarizate si compozite piezoelectrice.

3.2.1. Materiale piezoelecrtice

Cuartul este cel mai raspndit mineral din natura (cca. 16 %) si reprezinta o forma

polimorfica a silicei (SiO2), regasita att n compozitia chimica a sticlei silicioase (de geam) ctsi (mpreuna cu anumite impuritati) n chimismul unei largi varietati de pietre pretioase: agat,ametist, calcedonie, opal, etc..

Cuartul este, din punct de vedere istoric, primul material piezoelectric. El se gaseste nstare naturala sub forma de monocristale mari. Silicea se topeste la 17100C si daca este racita

foarte ncet, se formeaza monocristale de cuart , de nalta simetrie cristalina, cu structura

formata din tetraedre SiO care se reproduc regulat n spatiu. Sub TC = 5730C se obtine cuartul, cu simetrie cristalina mai redusa, din cauza unei retele cristaline triple de forma elicoidala.La viteze de cristalizare mai mari de 2,210-7 cm/s se obtine cuart vitros (amorf).

Monocristalele de cuartul artificial, obtinute prin solidificare dirijata, se utilizeaza laoscilatoarele electronice. Daca este taiat n placi subtiri, dupa anumite orientari si cu grosimi


8/17

foarte exacte, cuartul capata a frecventa de rezonanta extrem de precisa, dependenta dedimensiunile placii. Sub efectul unui curent alternativ, se obtine un oscilator electronic cufrecventa foarte ridicata (cca. 20 GHz) si precisa, capabil sa furnizeze impulsuri de ceas ncomputere sau ceasuri cu cuart sau sa controleze frecventele emitatoarelor radio.

Cei mai larg raspnditi actuatori piezoelectrici sunt cei ceramici. Acestia sunt capabili

sa genereze forte mari n timpi foarte redusi, fiind utilizati la: controlul vibratiilor, capeteleimprimantelor matriciale si motoarele piezoelectrice.

Titanat-zirconatul de plumb (PZT), cu formula stoechiometrica PbTi1-zZrzO3, este unmaterial ceramic care a fost descoperit n 1954 si detine, la ora actuala, cel mai mare procentdin piata mondiala de traductori electromecanici.

Coeficientului de cuplare piezoelectrica poate atinge valori de pna la d33 = 40010-12 C/N.

Efectul piezoelectricdirect al PZT poate fi mai corect apreciat daca se tine cont ca o bara din acest material, cusectiunea transversala de 1 mm2 si lungimea de 1 cm, daca este lovita cu un ciocan obisnuit(omasa de 1 kg dezvolta o forta de cca. 10 N) genereaza la capetele ei o diferenta de potential de1550 V.

Piezoelectricitatea PZT exista numai pna la 3860C, att timp ct celula elementara se

mentine asimetrica. Peste TC = 3860

C rezulta o celula elementara de nalta simetrie cristalina,fig.3.5.

mpreuna cu alte materiale piezoceramice, PZT se utilizeaza la aplicatiile care necesitaviteza de reactie si precizie foarte ridicata.

Prin modificarea compozitiei chimice a materialelor ceramice pe baza de PZT, se potobtine mbunatatiri substantiale ale proprietatilor piezoelectrice.

Materialele piezoceramice sunt utilizate pe scara larga ca actuatori, cele mai frecventeaplicatii ale lor, care se regasesc n domeniile militar, aerospatial, spatial, etc., fiind legate de

controlul geometriei si compliantei structurilor mari si n special de controlul vibratiilor.Principalul impediment al materialelor piezoceramice estefragilitatea lor foarte ridicata. Pentrua elimina acest dezavantaj s-au dezvoltat materiale compozite piezoelectrice (piezocompozite).


9/17

Conceptul de material piezocompozitpresupune asocierea ntr-un singur produs a unorelemente active din material piezoceramic si a unei matrice pasive , din polimer, n scopulfructificarii proprietatilor benefice ale acestora.

n functie demodul n care sunt aranjate cele doua faze, altfel spus de numarul de dimensiuni dupa carefiecare faza este auto-conectata n piezocompozit, se obtin diverse tipuri de conectivitate,ilustrate n fig.3.6.

Modul de notare a piezocompozitelor se bazeaza pe atribuirea primului numar pentruconectivitatea partii active (piezoceramica) si a celui de-al doilea numar pentru conectivitatea

partii pasive (matricea polimerica). Astfel, piezocompozitul 1-3, din Fig.3.6(a), este obtinut princonectarea barelor piezoceramice de-a lungul unei singure dimensiuni (directii) n timp cematricea polimerica este conectata de-a lungul tuturor celor trei directii. Acest tip de

piezocompozite sunt utilizate pentru fabricarea de actuatori si senzori care rezista undelor de

soc provenite din exploziile submarine, avnd capacitatea de a-si relua functiile dupa fiecareexplozie. Daca se ncorporeaza fibre piezoceramice subtiri, n proportie de cca. 15-25 %, ntromatrice poliuretanica, se obtin compozite cu amortizare piezoceramica activa, capabile saatenueze nivelul presiunii vibratiilor cu pna la aprox. 70 % . Un piezocompozit 2-2, ca nFig.3.6(b), se obtine prin stratificarea placilor piezoceramice si a celor polimerice iar unul de tip0-3, ca n Fig.3.6(c), prin nglobarea particulelor piezoceramice n matricea polimerica.Piezocompozitul 0-3, numit si piezocauciuc, este utilizat n mod curent casenzor.

Pentru a mbunatati simai mult performantele piezocompozitelor, sau dezvoltat materiale cu complianta (indicagradul de elasticitate) controlabila. Doua astfel de exemple sunt ilustrate n fig.3.7.


10/17

Fig.3.7(a) prezinta un actuator si senzor cu material ceramic moale, rezultat princombinarea functiilor de actuator si senzor ale PZT. Senzorului (1) detecteaza tensiuneamecanica aplicata iar actuatorul contracta materialul piezoceramic caruia i este imprimata ocomportare de tip cauciuc. n principiu, piezocompozitul se compune din actuatori si senzoriasamblati n pachete tip sandwich, prin intermediul unui strat de cauciuc. Actuatorii si senzoriiinteractioneaza reciproc, att direct, prin intermediul cauciucului care transmite presiunea

aplicata ct si indirect, prin intermediul amplificatorului de feed-back (2). Ansamblulpiezocompozit poate prezenta fie o rigiditate foarte ridicata, atunci cnd trebuie sa transmitaeforturile, fie o comportare tip cauciuc, atunci cnd trebuie sa amortizeze vibratiile. Traductorulreglabil din Fig.3.7(b) fructifica elasticitatea neliniara a cauciucului, prin intercalarea placutelorde PZT (4) ntre 2 starturi subtiri de cauciuc (3), acoperite cu placi de alama (2). Ansamblul estesolidarizat prin boltul de tensiune (1). Traductorul este astfel conceput nct si poate dublafrecventa de rezonanta (de la 19 la 37 Hz) prin combinarea actiunii PZT cu rigidizarea sub

presiune a cauciucului. n felul acesta, creste factorul de calitate Q = 1/F, de la 11 la 34, n urmascaderii frecarii interne (F). Alte traductoare se bazeaza pe capacitatea fluidelor de a redirectionaundele de presiune aplicate de la exterior, doua exemple fiind ilustrate n fig.3.8.

Traductorulflexiotensional din Fig.3.8(a), utilizat ca hidrofon piezoelectric include doi electrozi metalicicavi (2) care contin doua pungi cu aer, localizate pe suprafata de contact cu discul din PZT (1).Atunci cnd sunt supusi la tensiunea hidrostatica (reprezentata prin sageata goala) produsa deundele sonore care se deplaseaza prin lichidul nconjurator, electrozii transforma o parte dincomponenta axiala a efortului unitar n componente radiale (marcate prin sagetile pline) sitangentiale apreciabile. Ca urmare a acestei mbunatatiri, produsul dintre coeficientul

piezoelectric (d) si coeficientul de tensiune (g) devine de cca. 250 ori mai mare dect la PZT.

Acelasi principiu s-a aplicat si n cazul actuatorului RAINBOW, cu profil tip calota sferica.Datorita densitatii sale reduse si a design-ului extraplat, actuatorul RAINBOW este utilizat cadifuzor n interiorul aeronavelor.

Actuatorul hidraulic cu deplasare mare, din Fig.3.8(b), contine un inel din PZT (1),umplut cu fluid, pe ale carui suprafete interioara si exterioara sunt aplicati electrozi. La aplicareatensiunii electrice, prin intermediul electrozilor, cilindrul din PZT se contracta, prin efect

piezoelectric invers, comprimnd fluidul care deplaseaza pistonul (5) pe directie axiala marcata prin sageata. Dimensiunile cilindrului din PZT sunt

h = 3,18 mm si l = 38,1 mm, raza inferioara fiind de 22,22 mm. n aceste conditii, deplasareapistonului poate atinge cca. 0,8 mm, la o tensiune electrica aplicata de 3 kV.

3.2.2. Piezostructuri


11/17

Dupa cum s-a aratat anterior, actuatorii piezoelectrici sunt utilizati n mod curent pentrucontrolul vibratiilor, atunci cnd nivelul acestora constituie o amenintare pentru integritateaansamblului respectiv. O alta aplicatie o constituie controlul compliantei (care indica gradul deelasticitate si este inversa rigiditatii)structurilor mari, att terestre ct si spatiale, pentru care

s-a introdus termenul de piezostructuri.

Principalul efect al vibratiilorconsta din concentrarea periodica a tensiunilor care grabeste aparitia fisurilor, din cauzaecruisarii ciclice n regim dinamic. Prin ncorporarea actuatorilor piezoelectrici, n acele zoneale materialului care prezinta cel mai mare risc de fisurare, s-a reusit cresterea rezistentei lafisurare cu peste un ordin de marime. Un astfel de exemplu l reprezintapalele de elicoptercaresunt supuse unui nivel foarte ridicat al vibratiilor, mai ales mai ales n timpul zborului peorizontala. Pentru a monitoriza continuu gradul de ndoire al elicei s-a introdus controlulindividual al palelor prin intermediul actuatorilor de torsiune, dupa principiul schematizat nfig.3.9.

Grinda din material compozit (3) este acoperita cu un strat de piezocompozit (4) obtinutprin nglobarea fibrelor din PZT, dispuse la 450 fata de axele de simetrie ale grinzii, ntr-omatrice epoxidica n care sunt inclusi si electrozi interdigitali, pentru aplicarea tensiunii electricede comanda. Actuatorul piezoelectric astfel obtinut este jumatate nglobat n pala (1) si jumataten flapsul segmentat (2). Articulatia (5) este plasata exact n punctul de rotatie a flapsului. Laaplicarea tensiunii electrice, la electrozi, actuatorul se torsioneaza, comandnd rasucireacontrolata a flapsurilor, ceea ce permite modificarea geometriei palei de elicopter, reducndnivelul vibratiilor.

Alt domeniu de utilizare a actuatorilor piezoelectrici, la controlul vibratiilor, estereprezentat de structurile spatiale mari, cum ar fi antenele si satelitii.

Antenele spatiale reprezinta instalatii cu forma cvasi-statica, compuse din ansambluri decabluri si mpletituri, cu a structura de sustinere si rigidizare. Deformarea lor se realizeaza prinintermediul unor brate extensibile care se alungesc pe directie radiala. Forma suprafetei anteneieste deosebit de importanta deoarece influenteaza direct capacitatea de emisie-receptie ainstalatiei. Din cauza suprafetei sale mari o astfel de antena are un diametru de deschidere decca. 8 m instalatia capteaza o cantitate importanta de energie solara radianta, care determinadilatarea ansamblului. Pentru controlul geometriei antenei se pot utiliza actuatori piezoceramicin forma de benzi, din PZT, care dezvolta momente de ncovoiere prin efect piezoelectric

invers .


12/17

Aceleasi probleme, legate de controlul geometriei si amortizarea vibratiilor, apar si lacelelalte structuri desfasurabile din spatiul cosmic. Prin utilizarea unor elemente de rezistenta,active, cu actuatori piezoelectrici nglobati, s-a reusit controlul formei structurilor spatiale si s-au redus duratele de reparatie, n care astronautii erau nevoiti sa iasa n spatiul cosmic. Astfel desolutii au fost utilizate la amortizarea activa a vibratiilor din elementele flexibile alesatelitilorncadrul experimentului CASTOR (Caractrisation des Structures en Orbite, fr.) desfasurat pe

statia orbitala MIR. Sistemul de comunicatii intersatelit prin fascicul laser, impune conditiiextrem de riguroase, n legatura cu precizia de directionare a fasciculului, toleranta deviatieifiind de ordinul rad. Cum la bordul satelitilor exista diverse motoare, chiar daca sunt foarte

bine izolate, acestea produc vibratii ce pot perturba buna functionare a transmisiei prin laser sitrebuie deci amortizate. Utiliznd sisteme de amortizare activa, cu actuatori si senzori

piezoelectrici distribuiti pe ntreaga structura, s-a reusit, de exemplu, n cadrul satelitului decomunicatii ARTEMIS (Advaced Relay and Technology Mission) o reducere a niveluluivibratiilor de pna la 69 de ori.

Metodele de ncorporare a actuatorilor si senzorilor piezoelectrici, n cadrul piezostructurilor, au fost aplicate si la structurile terestre stationare. Pentru a monitorizacomportarea structurilor terestre, s-au utilizat initial sisteme digitale traditionale, de control ncircuit nchis, cu schema-bloc prezentata n fig.3.10.

Convertoruldigitalanalog reprezinta interfata dintre sistemul digital de control si actuator. Prezentaconvertorului si a amplificatorului liniar complica mult sistemul de controlsi din acest motiv s-a recurs la eliminarea lor si nglobarea actuatorilor si senzorilor piezoelectrici cu comandadirecta. Excitarea digitala directa, controlata prin calculator, a piezostructurilor a permis osimplificare substantiala a interfetei sistem de control/structura, concomitent cu pastrareacalitatii procesului de monitorizare. Utiliznd aceasta metoda, au fost dezvoltate piezostructuritip rama din otel cu sectiune n H, la care actuatorii si senzorii ncorporati asigura controlulmomentului de ncovoiere si implicit al (micro)vibratiilor. Aceste piezostructuri se folosesc

pentru monitorizarea starii de tensiune a zgrie-norilor.

Alte aplicatii ale actuatorilor piezoelectrici includ: controlul vibratiilor la taierea deprecizie a metalelor, directionarea, reducerea si izolarea vibratiilor la sistemele optice adaptivede tipul Telescopului Spatial Hubble, amortizarea activa a substratului tensionat, capetelemagnetice ale aparatelor de nregistrare-redare a sunetului, micromanipulatoarele robotice,imprimantele cu jet de cerneala si motoarele piezoelectrice.


13/17

3.3 Senzori piezoelectrici

Cel mai larg raspndit senzor piezoelectric este un polimer (deoarece materialelepiezoceramice sunt prea fragile) fluorura de poliviniliden (PVDF) cu formula (-CH 2-CF2-)n.Structurasemicristalina a PVDF este ilustrata n fig.3.16.

Efectul piezoelectric al PVDF a fost observat n 1969 iar cel piroelectric n 1972.

Piezoelectricitatea polimerilor se datoreaza existentei regiunilor cu lanturi de legaturi covalenteordonate, care formeaza faze (semi)cristaline localizate, nconjurate de regiuni amorfe. LaPVDF au fost observate pna la patru faze cristaline diferite, n starea (sub 410C, nconformitate cu tabelul 3.1) care este cristalina n proportie de 50-90 %. Polarizarea PVDFapare numai n starea deoarece, dupa cum arata Fig.3.16, anionii F1- si cationii H1- au orientaridiferite, ceea ce da nastere unor dipoli electrici, dispusi perpendicular pe scheletul de carbon.

Utilizarea PVDF ca senzor este recomandata de valoarea mare, g33 = 20010-14C/N, acoeficientului de tensiune. Pentru a obtine PVDF n starea , polimerul se depune mecanic, latemperaturi cuprinse ntre (50-100) 0C, sub forma unui film subtire, ce se poate alungi cu 400-500 %. n urma alungirii filmului de polimer, se produce polarizarea ntmplatoare , n diverse

regiuni ale materialului. Pentru evidentierea efectului piezoelectric este necesar sa se obtina osingura directie depolarizare n tot materialul. n acest scop, se depun electrozi de aluminiu lacele doua capete ale foliei de PVDF, se aplica o ncalzire de cca. 1000C si o tensiune puternica,de 8 GV/m. Apoi se raceste proba, pastrndu-se tensiunea electrica aplicata, ceea ce duce lablocarea orientarii dipolilor.

Filmele uniaxiale de PVDF sau alti polimeri, cum ar fi copolimerul de fluorura de vinil-trifluoretilena, cu grosimi de 9-100 m, se lipesc cu adezivi epoxidici pe diverse suprafetemetalice pentru a urmari tensiunea si deformatia de-a lungul unei axe.

Filmele biaxiale pot masura tensiuni ntr-un plan. PVDF se utilizeaza pe scara larga pentru receptoare ultrasonice mai ales la sistemele subacvatice de tip SONAR (SoundNavigation Ranging). Deoarece filmele de PVDF sunt extrem de sensibile la presiune, s-audezvoltat senzori tactili, capabili sa citeasca alfabetul Braille sau sa faca distinctie ntre diferite


14/17

granulatii (marci) de hrtie abraziva. Filmele cu grosimi de 200-300 m se folosesc nrobotica, drept senzori tactili, capabili sa detecteze muchii, colturi sau alte elemente geometrice

prestabilite si sa deosebeasca ntre ele diferite tipuri de tesaturi. Filmele de PVDF aplicate peresorturile elicoidale de comprimare si pe arcurile-foi multiple, au fost folosite pentrudeterminarea deformatiilor acestora realizndu-se astfelsuspensii adaptive pentru autovehicule.Suspensiile adaptive, dezvoltate la nceputul anilor 80, sunt astfel concepute nct, atunci cnd

roata autovehiculului sufera socuri mai mari dect o anumita limita, semnalul transmis desenzorii piezoelectrici determina modificarea modului de amortizare, ceea ce antreneaza oscadere substantiala a factorului de calitate, ca urmare a maririi frecarii interne. Cnd viteza devariatie a denivelarilor drumului scade sub limita prescrisa, modul de amortizare revine lanormal.

Principalul impediment al PVDF este posibilitatea utilizarii numai la temperaturi relativscazute, deoarece ncalzirea poate produce pierderea polarizarii. Pentru a depasi acestinconvenient s-au dezvoltat senzori care se obtin prin nglobarea pulberilor piezoelectrice ntr-omatrice polimerica.

Pentru a determina evolutia starii de tensiuni a unui material, metodele moderne prevadaplicarea unorvopsele piezoelectrice care joaca rol de senzori. Aceste vopsele contin particule

piezoceramice de PZT, n proportie de cca. 90 %, nglobate ntr-o matrice de rasina epoxidica,cu rol de ntaritor. Ele au avantajul ca se pot aplica si pe suprafete complexe, de care filmele dePVDF se lipesc mai greu. Grosimea stratului de vopsea variaza ntre 25 si 300 m. Dupadepunerea vopselei, se aplica un cmp electric de ordinul kV/cm care asigura polarizareamaterialului. n felul acesta, se obtine un sistem material inteligent, capabil sa monitorizezenivelul vibratiilor receptate si sa detecteze aparitia defectelor. Aceste calitati permit omonitorizare continua a starii de sanatate, asigurnd interventia operativa n momentul n caretensiunea dezvoltata de senzori depaseste limitele prescrise.

Ca si materialele cu memoria formei, materialele piezoelectrice si-au gasit aplicatii ndomeniul implanturilor ortopedice. n plus, utilizarea materialelor piezoelectrice, de exemplu lavindecarea fracturilor, este justificata si de influenta benefica pe care o au, asupra osteogenezei(care n acest caz se refera la refacerea osului) curentii electrici foarte slabi (sub 0,075 A) nspecial atunci cnd sunt continui. Pentru a genera curent electric continuu s-a recurs lautilizarea unor placi de fixare a fracturilor, care aveau particule piroelectrice ncorporate. Subefectul deformatiilor (presiunii) care actioneaza n placa, particulele piroelectrice genereazacaldura ridicnd temperatura placii cu pna la 50C fata de cea a corpului. Aceasta diferenta detemperatura genereaza o tensiune termoelectromotoare ce permite aparitia curentului electriccontinuu, care accelereaza refacerea osului fracturat, prin intensificarea transportului cationilor

de Ca2+.


15/17

Traductoarele fotoelectrice

Aceste traductoare sunt de diferite tipuri din care cele mai curent utilizate nconstrucia captoarelor din cercetrile experimentale sunt celulele fotoelectricecu vid sau cu gaz i fotomultiplicatoarele.

Celulele fotoelectrice (fig. 3.8.) au catodul format dintr-o pelicul subirefotoemisiv, aplicat pe peretel interior al tubului de sticl sau dintr-o placsolid, executate de obicei din compui de argint i cesiu sau stibiu i cesiu.Anodul poate fi o vergea, o plac, un ecran din srm sau un inel, plasatecentral.

Fig. 3.8. Celul fotoelectric i schema conectrii acesteia n circuitul electric,n cazul folosirii ei ca traductor.

Principiul acestora este exprimat de relaia:

SI = [A] (1)

n care:

I este curentul generat de fotoelement i care circul prin circuitul pus subtensiune, n A;

- fluxul luminox dirijat spre fotoelement, n lm (lumen);

S - sensibilitatea fotoelementului, n A/m.

Fotomultiplicatoarele permit s se obin un curent anodic apreciabil, cnd suntacionate de un flux slab, datorit existenei n construcia lor a unor electrozisecundari, denumii dinozi. Curentul la colectorul acestora are valoarea:

InKIc

=

(2)n care:K este factorul de emisie secundar;n - numrul de dinozi;I - curentul emis iniial de fotocatod i care e determinat de relaia (2).

Celulele fotoelectrice i fotomultiplicatoare se pot folosi ca traductoare dediferite feluri, dintre care se prezint principial n fig. 3.9., cteva dintre cele maicurente utilizri ale acestora n construcia captorilor din cercetrileexperimentale.


16/17

Fig. 3.9. Principiul utilizrii traductoarelor fotoelectrice n cercetrileexperimentale.

Sursa luminoas S (fig. 3.9.a) trimite un flux luminos pe suprafaaobiectului A supus msurrii, este reflectat i ajunge pe traductorul

fotoelectric T. Coeficientul de reflexie depinde de calitatea i stareasuprafeelor (pe baza acestui principiu sunt construite unele aparate demsurat rugozitatea suprafeelor). n cazul n care obiectul este n micare


17/17

i A este o mic oglind montat pe el, atunci sub influena fascicolului delumin reflectat se nate n circuitul fotocelulei un impuls de curent,respectiv de tensiune;

Fluxul luminos emis de sursa de lumin S (fig. 3.9.b) i dirijat ctretraductorul fotoelectric T este ecranat parial de obiectul de msurat A,modificndu-se astfel luminarea traductorului. Gradul de ecranare este

determinat, de deplasarea liniar sau de dimensiunea de msurat alecorpului A. n mod asemntor se poate folosi traductorul fotoelectric i ncazul msurrii vibraiilor. n acest caz, corpul A este nlocuit cu masa m(fig. 3.9.c) vibratorie a captorului seismic;

Fluxul luminos emis de raza de lumin S este ecranat complet de ctre opies, permind trecerea acestuia ctre traductorul fotoelectric numaicnd piesa are o anumit poziie, n care n dreptul fluxului se gsete ogaur prin care trece lumina i excit traductorul crend n circuitul celuleifotoelectrice un impuls;

Similar cazului cu ecranarea parial a fluxului luminos emis de sursa S se

folosesc celule fotoelectrice n construcia unor captoare seismice pentrumsurarea vibraiilor pe masa m (fig. 3.9.d i e) fixndu-se o oglind plansau una prismatic;

Sursa luminoas este chiar obiectul A supus cercetrii (fig. 3.9.f), fluxulluminos fiind dirijat spre traductorul fotoelectric T pe care l excit. Pebaza acestui principiu sunt construite unele pirometre fotoelectronicepentru msurarea temperaturii.

Mai sunt i alte modaliti de folosire a elementelor fotoelectrice ca traductoare,dar care au o utilizare redus sau nu sunt folosite n cercetri.

De exemplu, cazul cnd sursa de lumin S trimite un flux luminos spre traductorprin obiectul de msurat A (fig. 3.9.g). Fluxul luminos este parial absorbit, nfuncie de parametrul msurat al mediului A (de exemplu, la msurareatransparenei unui corp).

curs 6 traductoare genera to are

Documents