11. Пьзоэлектрические приборы, линии задержки, измерительная техника

В современной радиотехнике и электронике широко используются приборы, действие которых основано на так называемом пьезоэлектрическом эффекте. Различают прямой пьезоэлектрический эффект (возникновение электрических зарядов на поверхности тела, подвергнутого механической деформации) и обратный (деформация тела под действием электрического поля). Оба эффекта всегда сопутствуют друг другу.

 
  Простейший пьезоэлемент представляет собой пластинку из пьезоэлектрического материала с двумя обкладками. Стилизованный профильный рисунок такого элемента и лег в основу его УГО BQ1[9], показанного на рис. 11.1. Прямоугольник символизирует здесь пьезопластинку, а две короткие черточки с присоединенными к ним выводам — обкладки.

 Если к обкладкам пьезоэлемента подвести переменное напряжение, то вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта его пластинка начнет кол[цензура]ся с частотой напряжения. При равенстве частот этого напряжения и собственных механических колебаний наступает резонанс, и амплитуда колебаний резко возрастает, что, в свою очередь, ведет к увеличению амплитуды напряжения на обкладках (прямой пьезоэлектрический эффект). Иными словами, в этом случае пьезоэлемент (его называют резонатором) ведет себя, как настроенный на определенную частоту колебательный контур, причем контур с достаточно высокой добротностью. Это свойство и обусловливает применение пьезоэлектрических резонаторов в тех случаях, когда необходима высокая стабильность частоты. В качестве резонаторов используют пластины (стержни, кольца), вырезанные определенным образом из кристаллов кварца, турмалина или изготовленные из некоторых других материалов.

 
 Буквенный код пьезоэлементов и резонаторов — латинские буквы BQ.

 
 Для защиты от влияния окружающей среды резонаторы нередко помещают в герметичный корпус. На схемах его изображают в виде кружка, охватывающего основное УГО (см. рис. 11.1, BQ2).

 
 На основе пьезоэлектрических резонаторов изготовляют всевозможные полосовые фильтры (буквенный код — Z или ZQ, если фильтр на основе кварцевых резонаторов). В простейшем случае — это пластинка в виде диска из пьезокерамики, на одну из сторон которой нанесены не одна, а две обкладки. Такой пьезоэлемент ведет себя как система из двух резонаторов с сильной механической связью и ярко выраженными селективными свойствами. Конструктивная особенность подобного пьезоэлемента наглядно отражена и в его УГО (см. рис. 11.1, Z1), которое отличается от рассмотренного выше (BQ1) числом символов обкладок с одной стороны.

 
 Полосовой фильтр можно получить, соединив определенным образом несколько отдельных резонаторов (см. рис. 11.1, Z2). Но обычно полосовой фильтр изображают упрощенно — квадратом или прямоугольником с необходимым числом выводов и знаком полосового фильтра в виде трех отрезков синусоиды, два из которых перечеркнуты косыми штрихами (см. рис. 11.1, нижний Z2).

 
 Пьезоэлектрические преобразователи находят широкое применение в звукотехнике: в звукоснимателях электропроигрывающих устройств, микрофонах, головках громкоговорителей. Принцип действия этих приборов показывают символом пьезоэлектрического эффекта, отличающимся от основного УГО только меньшими размерами и отсутствием выводов от обкладок (см. рис. 10.5—BS3, рис. 11.1, BM1, BF1, BA1).

 
 Пьезоэлектрические преобразователи используют также в ультразвуковых линиях задержки — устройствах, задерживающих проходящий через них электрический сигнал на определенное время. Они содержат два преобразователя, разделенных твердой или жидкой средой, в которой ультразвуковые колебания распространяются с относительно небольшой и стабильной скоростью. Один из преобразователей служит для возбуждения в среде продольных механических колебаний, другой — для преобразования дошедших до него колебаний снова в электрический сигнал. Поскольку специальный буквенный код для линий задержки стандартом не установлен, их можно обозначать буквой Е.

 
 Условное графическое обозначение пьезоэлектрической линии задержки построено на основе двух символов пьезоэлементов, объединенных знаком временной задержки — отрезком прямой линии с засечками на концах и помещенным над ней математическим обозначением временного интервала Δt (рис. 11.2, E1). Допускается вместо букв указывать конкретное значение задержки (например, 64 μs). Линии задержки и полосовые фильтры изготовляют также на основе магнитострикционных материалов (никель, пермаллой, ферриты и т. п.), изменяющих размеры и форму при намагничивании, и, наоборот, намагниченность при механических деформациях. Магнитострикционные преобразователи, устанавливаемые на входе и выходе фильтров (их называют электромеханическими) и ультразвуковых линий задержки, состоят из обмотки и магнитопровода, изготовленного из одного из указанных материалов, поэтому их УГО напоминает символ катушки с магнитопроводом, только последний изображают в виде двунаправленной стрелки. Из двух таких символов, объединенных знаком временной задержки, и состоит УГО ультразвуковой магнитострикцион-ной линии задержки (см. рис. 11.2, Е2).

 
 Для задержки сигналов применяют и искусственные линии, составленные из большого числа соединенных определенным образом катушек и конденсаторов. В целях упрощения такие устройства обозначают на схемах либо символами двух крайних ячеек, заменяя остальные штриховой линией (см. рис. 11.2, £3), либо еще более простым УГО (£4), в котором три полуокружности символизируют все катушки линии, а параллельная им прямая с линией-ответвлением — все конденсаторы. В последнем случае знак временной задержки допускается не указывать. Это удобно при изображении линии задержки с отводами (£5) и с плавным регулированием (£6).

 
 Линией задержки может служить отрезок коаксиального кабеля (её в этом случае называют линией с распределенными параметрами — индуктивностью и ёмкостью и она почти всегда присутствует в конструкции осциллографа). Такую линию задержки изображают в виде отрезка прямой со знаками коаксиальной линии на концах и временной задержки над ними (£7).

 Для контроля электрических и неэлектрических величин в технике используют различные измерительные приборы. Их общий код — латинская буква Р, общее УГО — окружность с двумя разнонаправленными выводами (рис. 11.3) [10]. Назначение измерительного прибора показывают, вписывая в символ международное обозначение единицы измеряемой величины и вводя в позиционное обозначение вторую букву (см. разд. 1). Аналогично, чтобы показать прибор для измерения физической величины в кратных или дольных единицах, в кружок вписывают их международное обозначение (mA — миллиамперметр, μA — микроамперметр, кV— киловольтметр, mV— милливольтметр, MΩ — мегометр и т. д.). Для обозначения приборов, измеряющих силу тока, в код вводят букву А (см. рис. 11.3, РА1—PA5), напряжение —  V, сопротивление —R, мощность — W, частоту — F, число импульсов — С, время — Т. При необходимости рядом с выводами указывают полярность включения прибора, а рядом с позиционным обозначением указывают его тип.

 
 Общепринятые обозначения физических величин используют при построении условных графических обозначений таких приборов, как фазомер — φ, волномер — λ, термометр — tº, тахометр — п. Специального кода для этих приборов не установлено, поэтому в их позиционном обозначении указывают только одну букву Р (см. рис. 11.3, Р1-Р4).

 Знаком в виде профильного рисунка двояковыпуклой линзы обозначают на схемах уровнемер (см. рис. 11.3, Р5), знаком «±» — индикатор полярности (Р6), зигзагообразной линией — осциллоскоп (Р7), знаком в виде прямого уголка — вторичные электрические часы РТ1 (первичные часы выделяют вторым кружком, концентричным с основным).

 
 Особенности измерительного прибора показывают значками, помещаемыми в нижней части кружка.

 
 Одной стрелкой, не касающейся кружка, обозначают гальванометр (Р8). Прибор с цифровым отсчетом выделяют знаком в виде трех нулей, охваченных снизу прямой скобкой, а чтобы этот знак уместился в кружке, диаметр последнего увеличивают до нужного размера (см. рис. 11.3, PV3).

 
 Электромеханический счетчик импульсов изображают на схемах символом, похожим на УГО поляризованного реле (см. разд. 6), в дополнительное поле которого помещен маленький кружок (РС1 на рис. 11.3).

 
 В основу УГО измерительных регистрирующих приборов (буквенный код — PS) положен квадрат 12x12 мм. Регистрируемую величину и в этом случае указывают одним из рассмотренных выше способов. В нижней части квадрата обычно помещают знак, характеризующий вид записи измеряемой величины: извилистой линией — непрерывную запись (см. рис. 11.3, PS1), такой же линией с пробелами — запись с точечной регистрацией (РS2), кружком со скобкой — печать с цифровой регистрацией (PS3), осциллограф — зигзагообразной линией, аналогичной осциллоскопу (PS4).

 Квадрат, но чуть меньших размеров (10x10 мм), используют и для обозначения преобразователей неэлектрических величин в электрические. Принадлежность к этому виду устройств отражают точка и стрелка на нижней части квадрата, показывающая направление преобразования (рис. 11.4), и код в позиционном обозначении, начинающийся с буквы В. При этом в общем случае внутри символа указывают только измеряемую величину или единицу ее измерения (ВР1 — датчик давления; вместо буквы Р можно указать Ра). Если же необходимо указать конкретную величину, в которую преобразуется контролируемая, квадрат делят диагональю на две части, и в ту из них, которая граничит с линией-выводом, вписывают обозначение выходного параметра. С учетом сказанного на рис. 11.4 ВК1 — преобразователь температуры в ток, a BRX— датчик, преобразующий частоту вращения в пропорциональное ей напряжение.