Порядок выполнения лабораторной работы

Объект исследования

    В лабораторной работе исследуются пьезоэлектрические свойства кварцевых пластин 4-х срезов: XYs /_38,5 ^o ; XYs /_40,5 ^o ; XYs /₅₀ ^o ; XYs /₃₈ ^o

Схема лабораторной установки

    Схема лабораторной установки приведена на рис.4. Схема собрана в корпусе, в верхней части которого размещен кварцедержатель с четырьмя пластинами срезов (XYs /_38,5 ^o ; XYs /_40,5 ^o ; XYs /₅₀ ^o ; XYs /₃₈ ^o, подключение которых в измерительную схему осуществляется нажатием кнопочных переключателей, расположенных на передней панели корпуса.

Рис. 4. Схема лабораторной установки

    Сигнал от генератора стандартных сигналов Г4-42 через переключатель ВКЛ.ВЧ подается  на кварцевую пластинку, и напряжение, пропорциональное току через пластину регистрируется ламповым вольтметром В3-3. Одновременно осуществляется измерение частоты сигнала  генератора  Г4-42  с помощью электронно-счетного  частотомера Ч3-32.

    Генератор Г4-42 используется для получения гармонических сигналов, в диапазоне частот от 12 кГц до 10 МГц. Для установки необходимой частоты генератора он имеет переключатель поддиапазонов частот и шкалу настройки. При исследовании образцов частота измеряется с помощью частотомера Ч3-32.

Порядок выполнения экспериментальной части работы

    В исходном состоянии выключатели электропитания всех измерительных приборов должны находиться в положении ВЫКЛ.

    1. Подготовка к работе генератора сигналов Г4-42:

    – переключатель вида модуляции поставить в положение ВНЕШН.МОД.;

    – тумблер ГЕН. ВЧ поставить в положение ВКЛ;

    – тумблер УРОВЕНЬ К-М % поставить в положение М %;

    – переключатель ДИАПАЗОНЫ поставить в положение III (85 – 300 кГц).

    2. Подготовка к работе лампового вольтметра В3-3:

    – переключатель ПРЕДЕЛЫ поставить в положение 300 мВ;

    3. Подготовка к работе частотомера Ч3-32:

    – переключатель ВИД РАБОТЫ поставить в положение f_A;

    – переключатель ВРЕМЯ СЧЕТА S поставить в положение 1;

    – тумблер ГЕНЕРАТОР поставить в положение ВНУТР.;

    – тумблер ВРЕМЯ ИНДИКАЦИИ поставить в положение АВТ.

    Включите вилки питания всех приборов в розетки и переключатели электропитания всех приборов установите в положение ВКЛ; дайте приборам прогреться 15 – 20 мин.

    4. Получите у преподавателя задание для исследований. Необходимо исследовать два образца (табл. 1).

    Таблица 1. Варианты заданий

    5. Измерьте частоты резонанса f_R  и антирезонанса f_A

    – нажмите на макете клавиши УРОВЕНЬ ВЧ и ВКЛ. ВЧ (клавиши утоплены) и с помощью ручки УСТАНОВКА УРОВНЯ «К» на генераторе Г4-42 установите то вольтметру В3-3 уровень сигнала 200 мВ. При дальнейших измерениях уровень сигнала не изменять. Отожмите клавишу УРОВЕНЬ ВЧ на макете;

    – подключите заданный для измерения образец к измерительному прибору нажав клавишу, соответствующую номеру образца;

    – установите ручкой f генератора Г4-42 начальную частоту: для образцов 1 и 2 – 200 кГц, для образца 3 – 270 кГц, для образца 4 – 220 кГц. Затем, медленно увеличивая частоту (вращение ручки против часовой стрелки) ручкой ПЛАВНОЙ НАСТРОЙКИ, добейтесь максимального показания вольтметра U_R (при зашкаливании стрелочного прибора необходимо изменить предел измерения);

    – отсчитайте по шкале частотомера Ч3-32 значение частоты резонанса f_R, соответствующей максимальному показанию вольтметра; запишите показания частотомера и вольтметра в таблицу (для частоты резонанса);

    – продолжая МЕДЛЕННО увеличивать частоту генератора Г4-42 добейтесь минимального показания вольтметра U_A.

    – отсчитайте по шкале частотомера Ч3-32 значение частоты антирезонанса f_A, соответствующей минимальному показанию вольтметра; запишите показания частотомера и вольтметра в таблицу (для частоты антирезонанса)

    – проделайте аналогичные измерения для второго образца, указанного в задании.

    – результаты измерений запишите в таблицу 2.

Таблица 2. Экспериментальные и расчетные характеристики

    6. Измерьте амплитудно-частотную характеристику:

    – для одного из заданных образцов измерьте напряжение выходного сигнала для различных частот входного сигнала: 3 точки до f_R, 2 точки между f_R,, и f_A, и 3 точки после f_A; результаты измерений представьте в виде таблицы и графика.

Обработка результатов измерений

    По результатам измерений (табл. 3) с помощью формул (17), (18) и (19) рассчитайте пьезоэлектрические модули кварца. При расчете используйте следующие параметры образцов и значения физических констант: l =1,24×10^-2м–длина образца; r = 2,655×10³кг/м³ – плотность образца; e = 4,65 – относительная диэлектрическая проницаемость кристалла кварца; e ₀ = 8,85× 10^-12  Ф/м – диэлектрическая постоянная; d ₁₁ , d₁₄  – определяются из системы уравнений, составленных для двух заданных образцов с различными срезами.

3. Содержание отчета

    1. Цель работы.

    2. Схема измерений и перечень используемых приборов.

    3. Результаты измерений.

    4. Расчетные формулы (в том числе и система уравнений для нахождения d ₁₁ , d ₁₄ ) и результаты расчетов.

    5. Выводы.

Контрольные вопросы

    1. Объяснить природу пьезоэлектрического эффекта.

    2. Какие требование предъявляются к симметрии пьезоэлектриков?

    3. Почему кварц имеет только два независимых пьезомодуля?

    4. Что характеризует пьезомодули d ₁₁ , d ₁₄?

    5. Объясните принцип резонансного метода измерения упругих и     пьезоэлектрических свойств.

Рекомендуемая литература

    1. Шаскольская М. П. Кристаллография: Учебник для втузов. М., Высш. школа, 1986. 391 с.

    2. Гусев О. Б., Кулешов Ю. С., Нефедов В. Г., Шакин О. В. Физические основы функциональной микроэлектроники: Учебное пособие. ЛИАП., Л. 1989. 50 с.

Лабораторная работа № 7