3.1 Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрические преобразователи основаны на свойстве некоторых кристаллов преобразовывать механические деформации Х в изменение электростатических зарядов q на гранях. Это явление обратимо.

q = f (Х) – функция преобразования пьезоэлектрического преобразователя.

Основным элементом является пластина (или несколько пластин), вырезанная определенным образом из соответствующего кристалла. Характеристики пьезоэлемента, значения коэффициентов, связывающих электрические и механические параметры, зависят от типа кристалла, от размеров пластины и от ориентации ее граней относительно кристаллографических осей (от типа среза) [5].

Пьезоэлектрическими называются кристаллы и текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическое поле (обратный пьезоэффект). Особенностью пьезоэффекта является знакочувствительность, т. е. изменение знака заряда при замене сжатия растяжением и изменение знака деформации при изменении направления поля. Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие вещества: кварц, турмалин, сегнетова соль, и искусственно создаваемые: титанит бария, титанит свинца и т. д.

Применяются пьезоэлектрические преобразователи в четырех направлениях:

а) преобразователи, использующие прямой пьезоэффект (приборы для измерения силы, давления, ускорения);

б) преобразователи, обладающие пироэффектом (ячейка имеет одно или несколько взаимно неуравновешенных полярных направлений), приборы для измерения тепловой радиации;

в) преобразователи, использующие обратный пьезоэффект (приборы уравновешивания);

г) преобразователи, использующие одновременно прямой и обратный пьезоэффект (пьезорезонаторы).

3.1.1 Пьезоэлектрические преобразователи прямого пьезоэффекта

На рис. 3.1 схематически показано устройство пьезоэлектрического преобразователя давления. Измеряемое давление Р действует на мембрану 1, представляющую собой дно корпуса преобразователя. Кварцевые пластины 2 соединены параллельно, наружные обкладки пластин заземляются, а средняя обкладка (латунная фольга 3) изолируется. Сигнал с кварцевых пластин снимается кабелем 5. Для удобства предусмотрено отверстие, закрываемое пробкой 4.

Рис. 3.1. Устройство пьезоэлектрического преобразователя

Выходная мощность пьезоэлектрических преобразователей очень мала, и поэтому на выход преобразователя должен быть включен усилитель с большим входным сопротивлением.

Достоинства: малые габариты, простота конструкции, надежность в работе, возможность измерения быстропеременных величин, широкий спектр частот измеряемых ускорений, малая чувствительность к магнитным полям, достаточная ударная прочность. Недостатки: необходимость дополнительной установки усилителя, неточность установки пластин, температурная погрешность.

3.1.2 Термочувствительные пьезорезонансные преобразователи

Конструкция термочувствительного пьезорезонансного преобразователя показана на рис. 3.2. В металлический герметизированный баллон (диаметром 6 – 8 мм), заполненный гелием, помещен линзовый кварцевый резонатор 1, укрепленный на токоподводах 2 и 3.

Рис. 3.2. Конструкция кварцевого термопреобразователя

Достоинства: большая инерционность, высокая разрешающая способность, широкий температурный диапазон. Недостатки: перегрев, погрешность от гистерезиса [5].