Слайд 31. Пьезоэлектрические преобразователи давления

Пьезоэлектрическим датчиком (ПЭД) называется устройство, использующее пьезоэлектрический эффект для преобразования переменных механических усилий в количество электричества (заряд). ПЭД относятся к генераторным датчикам и используются для измерения вибраций, переменных давлений, усилий и других параметров. Принцип действия ПЭД основан на прямом пьезоэлектрическом эффекте, т.е. появлении электрических зарядов на гранях некоторых диэлектриков при их деформации. К таким диэлектрикам относятся кварц, турмалин и др., наиболее распространенным является кварц. Пьезоэлектрические свойства в кристаллах проявляются в зависимости от ориентации их осей: главной (оптической) оси Z и перпендикулярных к ней электрической оси Х и механической оси Y. Электрическая ось соединяет симметричные точки кристалла, в которых электрический заряд имеет наибольшее значение. ПЭД вырезают из кристалла кварца в форме пластинки (параллелепипеда). При отсутствии деформации все заряды в пластине скомпенсированы, и она является электрически нейтральной. При действии измеряемой силы F_x вдоль оси Х на гранях пластинки, перпендикулярных к этой оси, возникают разнополярные электрические заряды q_x (продольный пьезоэффект). Значения зарядов в этом случае не зависят от геометрических размеров пластины и определяются только измеряемым усилием:

,

где К_п - пьезомодуль материала пластинки.

Знаки зарядов на гранях платины зависят от направления измеряемого усилия (сжатие или растяжение). При приложении силы вдоль оси Z пьезоэффект не возникает, также как и при одновременном сжатии по всем осям. Для съема сигнала на гранях, перпендикулярных к оси X, устанавливаются специальные обкладки, с которых снимается ЭДС Е, равная

где С_П - собственная емкость датчика, определяемая по формуле

,

где ε₀ – электрическая постоянная;  - диэлектрическая проницаемость материала пластинки; f_x - площадь грани, перпендикулярной к оси X; а - толщина пластинки.

Обычно для увеличения чувствительности пьезодатчика несколько пластинок соединяются параллельно; при этом заряды одноименно заряжающихся плоскостей должны складываться.

Достоинства ПЭД – возможность измерения быстропеременных величин (с частотой изменения до 7…100 кГц), малые габариты, простота устройства; недостатки - невысокая чувствительность, невысокая мощность выходного сигнала, непригодность к измерению статических величин, т.к. после снятия нагрузки заряды через некоторое время исчезают.

В пьезоэлектрическом измерительном преобразователе давления из­меряемое давление Р преобразуется мембраной 1 в усилие, вызывающее сжатие кварцевых пластин 2. С помощью обкладок 3 снимается выходной сигнал в виде ЭДС. Выражение для измеряемого давления имеет вид

,

где Р – измеряемое давление;

E – ЭДС на обкладках датчика;

 – диэлектрическая проницаемость материала пластин;

f – площадь грани, перпендикулярной к оси деформации;

k – пьезоэлектрическая постоян­ная материала пластин;

F – эффективная площадь мембраны;

d – толщина пластин.

Из-за утечки заряда с кварце­вых пластин пьезодатчики давления не использу­ются для измерения статических давлений. Одна из сфер их применения – преобразование быстропеременного и импульсного давления в электрический сигнал в вихревых расходомерах. Верхний предел измерений пьезоэлектрических измерительных преобразователей давления – 100 МПа.