Контрольні запитання до 8 розділу

1. Переваги та недоліки електростатичних перетворювачів.

2. Як величина початкової ємності електростатичних перетворювачів впливає на їх чутливість?

3. Яким чином і де можна використати електростатичні перетворювачі з вхідною величиною напруга, а вихідною – сила?

4. Особливості включення електростатичних перетворювачів у вимірювальні кола.

5. Залежність властивостей електростатичних перетворювачів від зовнішніх умов.

6. Запишіть формулу зв’язку ємнісного перетворювача для вимірювання концентрації газового середовища. Наведіть схему і поясніть принцип дії.

7. Принцип дії електростатичних зворотніх перетворювачів.

8. Поясніть як впливає співвідношення діаметрів зовнішнього та внутрішнього електродів коаксіального ємнісного перетворювача на точність вимірювання, на чутливість перетворювача.

9. При яких умовах неможна використати електростатичні перетворювачі для вимірювання рівня рідини, товщини стрічки та кутового переміщення?

10. Як можна зменшити вплив паразитних ємностей?

9 П'єзоелектричні перетворювачі

9.1 Фізичні основи та область застосування

П’єзоелектричними називають кристали і текстури, які електризуються під дією механічної напруженості (прямий п’єзоефект), і деформуються під дією електричного поля (зворотній п’єзоефект).

П’єзоелектричні властивості мають багато кристалічних речовин: кварц, турмалін, ніобат літію, сегнетова сіль та ін., а також штучно створені п'єзокераміки: титанат натрію, титанат свинцю, цирконат свинцю та ін.

Фізичну природу п’єзоефекту розглянемо на прикладі найбільш поширеного п’єзоелектричного кристалу кварцу SiO₂. На рисунку 9.1,а показана форма елементарної комірки кристалічної структури кварцу. Комірка в цілому електрично нейтральна, проте в ній можна виділити три напрямки, які проходять через центр і з’єднують два різнополярні іони (полярні напрямки називають електричними осями або осями Х). По осях Х направлені вектори поляризації Р₁, Р₂ і Р_3.

У ненапруженому стані всі заряди скомпенсовані і кристал кварцу є електрично нейтральним, тобто в ньому не спостерігається зовнішньої поляризації. Якщо ж до кристалу по осі Х прикласти силу F_х, то в результаті деформації елементарної комірки її електрична нейтральність порушиться (рисунок 9.1,б). При цьому в деформованому стані комірки сума проекції векторів Р₂ і Р₃ на вісь Х стане меншою (при стиску) або більшою (при розтязі), ніж вектор Р_1. В результаті чого утвориться рівнодіюча вектора поляризації, їй відповідають поляризаційні заряди на гранях, знаки яких для стиску показані на рисунку 9.1,б.

Утворення поляризаційних зарядів на гранях, які перпендикулярні осі Х, при дії сили по осі Х називають поздовжнім п’єзоефектом.

При механічних напруженнях, які прикладені поздовж однієї із осей У (їх називають механічними осями) геометрична сума проекцій векторів Р₂ та Р₃ на вісь У рівна нулю, тому на гранях перпендикулярних осі У заряд не утвориться. Проте сума проекцій векторів Р₂ та Р₃ на Х виявиться не рівна Р_1. Так, при стисканні п'єзоелемента (рисунок 9.1,в) вказана сума перевищує Р₁, в результаті на нижній грані утвориться позитивний заряд, а на верхній – негативний.

Рисунок 9.1 – Принцип проявлення п'єзоелектричних властивостей кристалу кварцу

При механічному навантаженні зсуву (рисунок 9.1,г), геометрична сума проекцій векторів Р₂ і Р₃ на вісь Х рівна вектору Р₁. Проте проекції векторів Р₂ і Р₃ на вісь У не рівні, і на гранях, що перпендикулярні осі У, виникає заряд.

При рівномірному навантаженні з усіх сторін (наприклад гідростатичному стиску), кристал кварцу залишається нейтральним.

При навантаженні по осі Z (оптична вісь), кристал кварцу також залишається електрично нейтральним.

П’єзоелектричні перетворювачі застосовуються дуже широко. Це перетворювачі сил, тиску, прискорень, у котрих використовується прямий п’єзоефект, зворотні перетворювачі електричних сигналів у деформацію (перетворювачі кіл зворотного зв’язку приладів зрівноважувального перетворення для вимірювань неелектричних величин). В останній час широко застосовуються також так звані п'єзорезонансні перетворювачі, тобто перетворювачі, в яких використовуються одночасно прямий та зворотній п’єзоефект, спільний прояв яких при максимальному коефіцієнті перетворення енергії одного виду в іншій спостерігається при резонансній частоті.

П'єзорезонатор є двополюсником (рисунок 9.2), виконаним у вигляді конденсатора, між обкладинками якого розміщений п'єзоелектрик. Прикладена до п'єзоелемента змінна напруга викликає деформацію та механічне напруження в п'єзоелементі, котрі дають зворотну реакцію у вигляді поляризації, тобто появи зарядів на електродах. У міру наближення частоти збуджуючої напруги до резонансної амплітуда механічних коливань різко збільшується, внаслідок

чого різко збільшується і амплітуда коливань заряду.

Рисунок 9.2 – Принцип дії п’єзорезонатора

Принцип роботи п'єзорезонансних перетворювачів оснований на використанні залежності резонансної частоти п'єзорезонатора від значення вимірюваної величини, наприклад температури. Зміна температури призводить до зміни пружних властивостей п’єзоелектрика, а отже, резонансної частоти. П'єзорезонатори, чутливі до зміни температури, називають термочутливими. Існують також тензочутливі (чутливі до зміни тиску) та масочутливі (чутливі до зміни маси п'єзорезонансного чутливого елемента, наприклад, у результаті напилення чи сорбції).

Необхідно відзначити, що п’єзоелектричні властивості всі п’єзоелектрики мають лише в певному температурному діапазоні, що обмежений так званою температурою Кюрі. Для кварцу вона становить 530ºС, для п'єзокераміки 150..350ºС.