1.11. Пьезоэлектрический метод

Пьезоэлектрический метод измерения основан на использовании пьезоэлектрического эффекта. Известно, что если некоторые кристаллы (кварц, турмалин, сегнетову соль) подвергать деформации, то на определенных поверхностях кристалла выделяются равные и противоположные по знаку электрические заряды, пропорциональные упругим механическим деформациям. Наоборот, если к тем же поверхностям кристалла приложить переменное электрическое напряжение, то кристалл будет деформироваться в соответствии с изменением напряжения. Первое явление (появление заряда при деформации) называется прямым пьезоэффектом, а второе — обратным.

Среди отмеченных выше кристаллов наибольшей чувствительностью обладает сегнетова соль. Однако применение ее ограничено, так как пьезоэлектрические свойства сегнетовой соли в большей степени зависят от температуры, а при температуре 38°С почти полностью пропадают. Пьезоэлектрические свойства кварца в меньшей степени зависят от температуры и сохраняются еще при температурах 350—400°С.

Для удобства оценки свойств кристалла вводят понятия оптической z, электрической х и механической у осей (рис.2.35). Для устройства пьезоэлектрических датчиков из кристалла вырезают симметричные пластинки круглой или прямоугольной формы, ориентированные относительно осей так, как это показано на рис.2.35 (заштрихованная площадка).

При действии усилий F_x и F_y вдоль электрической или механической оси (рис.2.35) электрические заряды появляются только на гранях кристалла, перпендикулярных к электрической оси х (рис.2.36). Количество возникшего электричества пропорционально действующей на кристалл силе, причем

,

где Q – заряд в к;

F_x и F_y – силы в кГ;

k — пьезоэлектрическая постоянная, равная для кварца к/кГ;

S_x и S_y — площади поверхностей, перпендикулярных соответствующим осям.

Для снятия зарядов на плоскости пластинки 1, перпендикулярной электрической оси (рис.2.37), накладываются металлические электроды 2, от которых заряды отводятся на усилительное устройство 3. Применение усилителей в пьезоэлектрических датчиках почти всегда неизбежно, так как возникающие при деформации заряды незначительны по величине. Например, если действующая на кристалл кварца сила равна 1 кГ, то за ряд будет равен к. Зажатая между металлическими электродами пластинка кристалла образует конденсатор, напряжение и на котором определяется по формуле

, (2.48)

где С — емкость конденсатора, равная ;

— диэлектрическая постоянная кварца;

d — толщина пластинки.

Подставляя в формулу (2.48) значение заряда из (2.47), найдем

. (2.49)

Для примера определим напряжение при следующих данных: . При подстановке этих данных в формулу (2.49) получим

.

Несмотря на то, что это напряжение является значительным, измерение его при помощи прибора, потребляющего мощность, невозможно, так как прибор будет разряжать пьезодатчик. Обычно напряжение с пьезодатчика подается на специальную электронную лампу с малой входной емкостью и чрезвычайно большим входным сопротивлением. Такая лампа называется электрометрической. Провода, соединяющие датчик с лампой, должны иметь высококачественную изоляцию и малую собственную емкость.

Пьезоэлектрический метод целесообразно применять для измерения переменных давлений, ускорений и деформаций. Измерение медленно изменяющихся величин этим методом практически неосуществимо.