Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрическим датчиком (ПЭД) называется устройство,

использующее пьезоэлектрический эффект для преобразования пере-

менных механических усилий в количество электричества (заряд).

ПЭД относятся к генераторным датчикам и используются для из-

мерения вибраций, переменных давлений, усилий и других параме-

тров. Принцип действия ПЭД основан на прямом пьезоэлектриче-

ском эффекте, т. е. появлении электрических зарядов на гранях

некоторых диэлектриков при их деформации. К таким диэлектрикам

относятся кварц, турмалин и др., наиболее распространенным явля-

ется кварц. Пьезоэлектрические свойства в кристаллах проявляются

в зависимости от ориентации их осей: главной (оптической) оси Zи

перпендикулярных к ней электрической оси Хи механической оси Y

(рис. 2.4, а). Электрическая ось соединяет симметричные точки кри-

сталла, в которых электрический заряд имеет наибольшее значение.

ПЭД вырезают из кристалла кварца в форме пластины (параллеле-

пипеда). При отсутствии деформации все заряды в пластине ском-

пенсированы, и она является электрически нейтральной. При дей-

ствии измеряемой силы Fx вдоль оси Хна гранях пластины, перпен-

дикулярных к этой оси, возникают разнополярные электрические

заряды qx (продольный пьезоэффект). Значения зарядов в этом случае

не зависят от геометрических размеров пластины и определяются

только измеряемым усилием:

где К_п — пьезомодуль материала пластины

Если пластину подвергнуть сжатию по оси Y, то заряды снова

появятся на тех же гранях, но их знак будет противоположным. Кро-

ме того, в этом случае значение заряда будет зависеть от размеров

пьезопластины:

где а, b — размеры пьезопластины в направлении X, У соответ-

ственно.

Знаки зарядов на гранях пластины зависят от направления из-

меряемого усилия (сжатие или растяжение). При приложении силы

вдоль оси Z пъезоэффект не возникает, так же как и при одновремен-

ном сжатии по всем осям. Для съема сигнала на гранях, перпендику-

лярных к оси X, устанавливаются специальные обкладки, с которых

снимается ЭДС Е, равная

где ε0 — электрическая постоянная; ε — диэлектрическая проницае-

мость материала пластины; J_x— площадь грани, перпендикулярной

к оси Х,а — толщина пластины.

Обычно для увеличения чувствительности пьезодатчика несколь-

ко пластин соединяются параллельно; при этом заряды одноименно

заряжающихся плоскостей должны складываться. На рис. 2.4, б при-

ведена простейшая схема пьезоэлектрического датчика, состоящего

из четырех кварцевых пластинок 1. Между ними находятся станио-

левые прокладки 3, которые служат одним из выводов, а второй вы-

вод имеет контакт с корпусом 2. Изоляционная прокладка 4 служит

для уменьшения утечки зарядов.

Достоинства ПЭД: возможность измерения быстропеременных

величин (с частотой изменения до 7... 100 кГц), малые габариты, про-

стота устройства; недостатки: невысокая чувствительность, невы-

сокая мощность выходного сигнала, непригодность к измерению

статических величин, так как после снятия нагрузки заряды через

некоторое время исчезают.