Пьезоэлектрические преобразователи

   Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов под влиянием механических напряжений. Обратный пьезоэффект состоит в возникновении механических деформаций пьезоэлектрика, помещенного в электрическое поле. Пьезоэффект обладает знакочувствительностью, т. е. меняются знаки заряда при замене сжатия растяжением и знак деформации при изменении направления поля.

   Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кристаллические вещества: кварц, турмалин, ниобат лития, сегнетова соль и др., а также искусственно создаваемые и специально поляризуемые в электрическом поле пьезокерамики: титанат бария, титанат свинца, цирконат свинца и т. д. [3]. В пьезоэлектрических ИП чаще всего применяется кварц, обладающий более высокой механической прочностью по сравнению с другими пьезоэлектриками, высокими изоляционными свойствами и независимостью пьезоэлектрической характеристики от температуры в широких пределах.

   Известно, что в монокристалле кварца можно выделить 3 оси: OX, OY и OZ, называемые соответственно электрической, механической и оптической осями [13]. Если из кристалла кварца вырезать пластину, грани которой будут перпендикулярны осям OX, OY и OZ, и подвергнуть ее действию механической силы , направленный вдоль оси OX, то на гранях, перпендикулярных этой оси, появится заряд , пропорциональный действующей силе (продольный пьезоэффект), т. е. , где k – пьезоэлектрический модуль, представляющий собой, по сути, чувствительность пьезоэлектрического ИП к заряду. Для кварца  Кл/Н. Если сила  действует вдоль оси OY, заряды возникают снова на тех же гранях, но значение их, оставаясь пропорциональным , зависит от длины и ширины пластины (поперечный пьезоэффект). Воздействие на пластину вдоль оптической оси OZ не вызывает появления зарядов.

   Значительно больший пьезоэлектрический модуль имеет пьезоэлектрик из титаната бария (  Кл/Н). Однако этот материал в ИП практически не применяется, так как его свойства зависят от его состава, технологии изготовления и температуры и меняются со временем.

   Разность потенциалов, возникающая на гранях пластины, определяется зарядом q и собственной емкостью преобразователя  по формуле .

   Для увеличения заряда, а следовательно, и разности потенциалов используют несколько пластин, например из кварца, уложенных друг на друга через проводящие металлические пластины. Схематическое устройство преобразователя с двумя кварцевыми пластинами представлено на рис. 2.11, на котором 1 – металлические пластины;­ 2 ­ – пластины из кварца. Такого типа преобразователь может применяться для измерения давления, если, например, нижнюю металлическую пластину жестко укрепить, а на верхнюю подавать измеряемое давление [7].

   Заряд, возникающий в пьезоэлектрических преобразователях, «стекает» по изоляции и входной цепи средства измерения. Собственное сопротивление пьезоэлемента определяется удельным сопротивлением материала пластин и их поверхностным сопротивлением. Первая составляющая, как правило, значительно больше второй (для кварца  Ом), поэтому определяющим в схеме является поверхностное сопротивление, для повышения которого до  Ом и для уменьшения «стекания» заряда преобразователь приходится герметизировать, защищая его поверхности от влажности и загрязнения [3].

Приборы, измеряющие разность потенциалов, для обеспечения большого времени разряда должны иметь высокое входное сопротивление (  Ом). Такое сопротивление могут обеспечить, например, электрометрические усилители и так называемые усилители заряда [3].

   С учетом сложности создания стабильных измерительных усилителей постоянного тока, работающих с маломощным источником сигнала, обладающим к тому же высоким внутренним сопротивлением, практическое применение пьезоэлектрических ИП ограничивается областью динамических измерений [13]. В этом случае не нужно поддерживать большую постоянную времени разряда.

Находят применение также пьезорезонаторы, в которых используются одновременно прямой и обратный пьезоэффекты. В этом случае на электроды ИП подается переменное напряжение и в пьезоэлектрической пластине возникают механические колебания, частота которых (резонансная частота) зависит от толщины пластины, модуля упругости и плотности ее материала. При включении такого преобразователя в резонансный контур генератора частота генерируемых электрических колебаний определяется резонансной частотой. При изменении толщины пластины, плотности материала под влиянием механических или температурных воздействий резонансная частота, а соответственно и частота генерируемых колебаний меняются. Этот принцип используют для преобразования давления, усилия, температуры и некоторых других величин в частоту.

   Достоинства пьезоэлектрических ИП – простота конструкции, высокая надежность, достаточно высокая чувствительность, хорошие динамические свойства.

   Недостатками пьезоэлектрических ИП являются невозможность использования этих преобразователей при статических измерениях, трудность градуировки в динамическом режиме, необходимость защиты от внешних воздействий, а также сложность средств, измеряющих выходной сигнал преобразователей.

   Пьезоэлектрические преобразователи используются в основном для исследования периодически меняющихся или импульсных сил (до 10⁴ Н), давлений (до 100 Н/мм²) и ускорений (до 100 g) в широком диапазоне частот.