Пьезоэлектрические эффекты и их использование для измерения физических величин
1. Физические основы и области применения пъезоэлектрических измерительных преобразователей
Пьезоэлектрическими называются кристаллы и текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект). Пьезоэффект обладает знакочувствительностью, т.е. происходит изменение знаков заряда при замене сжатия растяжением и изменение знака 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 пъезокерамики: титанат бария, титанат свинца, цирконат свинца и т.д.
Физическую природу пьезоэффекта рассмотрим на примере наиболее известного пьезоэлектрического кристалла. На рис. 1,а показана форма элементарной ячейки кристаллической структуры кварца.
Рис. 1
Ячейка в целом электрически нейтральна, однако в ней можно выделить три направления, проходящие через центр и соединяющие два разнополярных иона. Эти полярные направления называются электрическими осями или осями Х, в по ним направлены векторы поляризации Р1, Р2, и Р3. Если к кристаллу кварца вдоль оси приложена сила fх, равномерно распределенная по грани, перпендикулярной оси Х, то в результате деформации элементарной ячейки ее электрическая нейтральность нарушается. При этом, как показано на рис. 1,б, в деформированном состоянии ячейки сумма проекций векторов Р2 и Р3 на ось Х становится меньше (при сжатии) или больше (при растяжении) вектора Р1. В результате появляется равнодействующая вектора поляризации, ей соответствуют поляризационные заряды на гранях, знаки которых для сжатия показаны на рис. 1,б. Нетрудно видеть, что деформация ячейки не влияет на электрическое состояние вдоль оси Y, т.к. сумма проекций векторов равна нулю, ибо Р2Y = Р3Y.
Образование поляризационных зарядов на гранях, перпендикулярных оси Х, при действии силы по оси Х называется продольным пьезоэффектом.
При механических напряжениях, приложенных вдоль одной из осей Y (их называют механическими осями), геометрическая сумма проекций векторов Р2 и Р3 на ось Y равна нулю, а на гранях пьезоэлемента, перпендикулярных оси Y, заряды не образуются. Однако сумма проекций векторов Р2 и Р3 на ось Х оказывается не равной вектору Р1. Так, при сжатии пьезоэлемента, как изображено на рис. 1,в, указанная сумма превышает Р1, в результате на нижней грани образуются положительные заряды, а на верхней ‒ отрицательные. Рассмотренный эффект образования зарядов на гранях, перпендикулярных нагружаемым граням, называется поперечным. При равномерном нагружении со всех сторон (например, гидростатическое сжатие) кристалл кварца остается электрически нейтральным. При нагружении по оси Z, перпендикулярной осям Х и Y и называемой оптической осью кристалла, кристалл кварца также остается электрически нейтральным. При механическом напряжении сдвига, деформирующем ячейку так, как показано на рис. 1,г, геометрическая сумма проекций векторов Р2 и Р3 на ось Х равна вектору Р1, направленному по оси Х, и на гранях, перпендикулярных оси Х, заряд не возникает. Однако проекции векторов Р2 и Р3 на ось Y не равны, и на гранях, перпендикулярных оси Y, возникает заряд.
Рассмотрение физической природы пьезоэффекта показывает, что при напряженном состоянии материала заряды принципиально могут возникать между тремя парами граней. Таким образом, поляризационный заряд является вектором и описывается тремя компонентами.
существуют таблицы пьезомодулей, по которым можно рассчитать плотность заряда на всех трех гранях при действии любого напряжения.
Область применения пьезолектрических преобразователей весьма обширна.
1. Преобразователи, в которых используется прямой пьезоэффект, применяются в приборах для измерения силы, давления, ускорения.
2. Преобразователи, где используется обратный пьезоэффект, применяются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний, преобразователей напряжения в деформацию, например, в пьезоэлектрических реле, исполнительных элементах автоматических систем, перемещающих зеркала оптических приборов, обратных преобразователей приборов уравновешивания и т.д.
3. Преобразователи, в которых используются одновременно прямой в обратный пьезоэффекты, — пьезорезонаторы, имеющие максимальный коэффициент преобразования одного вида энергии в другой на резонансной частоте и резко уменьшающийся коэффициент преобразования при отступлении от резонансной частоты, применяются в качестве фильтров, пропускающих очень узкую полосу частот.
Пьезорезонаторы, включенные в цепь положительной обратной связи усилителя, работают в режиме автоколебаний в используются в генераторах. В зависимости от типа кристалла, среза и типа возбуждаемых колебаний пьезорезонаторы могут выполняться с высокостабильной, не зависящей от внешних факторов собственной частотой и с управляемой собственной частотой. Управляемые резонаторы используются в частотно-цифровых приборах как преобразователи различных, преимущественно неэлектрических (температура, давление, ускорение и т. д.), величин в частоту.