Пьезоэлектрические преобразователи давления

Действие пьезоэлектрических преобразователей основано на свойстве некоторых кристаллических веществ создавать электрические заряды под действием механической силы. Это явление, называемое пьезоэффектом, характерно для кристаллов кварца, турмалина, сегнетовой соли, тита- ната бария и некоторых других веществ. Особенностью пьезоэффекта является его безынерционность. Заряды возникают мгновенно в момент приложения силы. Это обстоятельство делает пьезоэлектрические приборы незаменимыми при измерении и исследовании быстропротекающих процессов, связанных с изменением давления (индицирование быстроходных двигателей, изучение явлений кавитации, взрывных реакций и т.п.).

Для изготовления пьезоэлектрических датчиков наиболее широко применяют кварц, сочетающий хорошие пьезоэлектрические свойства с большой механической прочностью, высокими изоляционными свойствами и независимостью пьезоэлектрической характеристики в широких пределах от изменения температуры.

Элементарной структурной ячейкой является шестигранная призма

(рис. 3.13).

Рис. 3.13. Схема кристалла кварца

В кристаллах кварца различают продольную ось ZZ, называемую оп- тической осью, ось XX, проходящую через ребра призмы (электрическую ось), и ось YY, проходящую через середины противолежащих граней (ме- ханическая или нейтральная). Если из кристалла кварца вырезать паралле- лепипед так, чтобы его грани были расположены перпендикулярно осям YY и XX, то он будет обладать пьезоэлектрическими свойствами. Силы, приложенные к параллелепипеду в направлении оси ZZ, не вызывают элек- тризации, а растягивающая или сжимающая силы Fx, приложенные в на- правлении электрической оси, вызывают появление разноименных зарядов на гранях, перпендикулярных к этой оси (продольный пьезоэффект). Заряд, возникающий на гранях, равен:

qx = kFx = k·Px·Sx , (3.6) где Px и Fx - давление и сила, действующие на грань; Sx - площадь грани; k - постоянная величина, так называемый, пьезоэлектрический модуль.

Пьезоэлектрическая постоянная кварца практически не зависит от температуры до 500°С. При температуре выше 500°С она быстро уменьша- ется и при температуре 570°С становится равной нулю, т. е. кварц теряет

пьезоэлектрические свойства. Пьезоэлектрические приборы позволяют из-

мерять давление до 100МПа;