Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрические преобразователи основаны на использовании пьезоэлектрического эффекта (пьезоэффекта), которым обладают некоторые кристаллы.

Различают прямой и обратный пьезоэффекты. Прямой пьезоэффект: под действием механических напряжений на гранях кристалла возникают электрические заряды. Обратный пьезоэффект: под действием электрического поля происходит изменение геометрических размеров кристалла. На использовании прямого пьезоэффекта основаны преобразователи усилий, давлений, ускорений.

Пьезоэффект наиболее сильно выражен у кварца, турмалина и у сегнетоэлектриков: сегнетовой соли, титаната бария и др.

На рис. 2.17, а показан кристалл кварца со следующими осями симметрии: z – главная, или оптическая, ось; х – электрическая ось; у – механическая, или нейтральная, ось.

Пьезочувствительный элемент (рис. 2.17, б) вырезается из кристалла кварца и имеет форму параллелепипеда, грани которого соответствующим образом ориентированы относительно осей кристалла.

При действии силы F_x вдоль электрической оси х на гранях ABCD и EKGH, перпендикулярных оси х, возникают разнополярные электрические заряды. Величина этих зарядов q_x не зависит от геометрических размеров кристалла и определяется зависимостью

q_x = k_пF_x, (2.20)

где k_п – пьезоэлектрическая постоянная, которая характеризует чувствительность пьезоэлектри­ческого материала и определяет величину электрического заряда, возникающего при приложении определенной силы. Изменение знака приложенной силы F_x приводит к изменению знака зарядов.

Напряжение между гранями пьезочувствительного элемента при отсутствии нагрузки в первый момент после приложения силы F_x (при t = 0) равно

U = q_x/C, (2.21)

где С включает емкость преобразователя С_п и емкость нагрузки С_н (включая емкость проводов).

Емкость преобразователя С_п = εS_x/d, где ε – диэлектрическая постоянная материала преобразователя; S_x – площадь грани, перпендикулярной оси х; d – толщина преобразователя.

Таким образом, выходное напряжение при t = 0

(2.22)

Чувствительность пьезоэлектрического преобразователя

(2.23)

При постоянной величине F_x на гранях пьезоэлемента возникает постоянный заряд, который из-за утечек со временем стремится к нулю. Поэтому пьезоэлементы можно применять только для измерения динамических усилий.

Наиболее широко в пьезоэлектрических преобразователях применяется кварц с значением пьезоэлектрической постоянной k_п =0,025 Кл/Н.

Недостатки пьезоэлектрических датчиков, ограничивающие сферу их применения:

- малый сигнал (необходимость в применении усилителей);

- малая собственная емкость (влияет емкость проводов и нагрузки);

- хрупкость пьезоматериала.