3.5. Пьезоэлектрические преобразователя

Работа этих преобразователей основана на пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэлектрическими называются кристаллы или тек­стуры, электризующиеся под действием механических напряже­ний {прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электричес­ком поле (обратный пьезоэффект).

В зависимости от величины силы сжатия или растяжения ме­няется количество зарядов на гранях кристалла, перпендикулярных одной из осей симметрии кристаллической решетки (элект­рической оси). Одновременно меняется и разность потенциалов между этими гранями.

Заряд на гранях кристалла при деформации не зависит от гео­метрии кристалла, но определяется приложенной силой Ги по­ложением граней относительно электрической оси симметрии кристаллической решетки:

q= K₀F,

где К_о — пьезоэлектрический модуль материала, [K_о]= Кл/Н.

Пьезоэлектрические свойства различных материалов показаны в табл. 3,2.

Таблица 3.2

Кристалл	Пьезоэлектрический модуль К0 Кл /Н	Диэлектрическая проницаемость е
Кварц Сегнетова соль Титанат бария	0,0021 2,1 0,225	4,5 9000 10 000

Кварц дешев, механически прочен, является хорошим элект­роизолятором. Однако его пьезоэлектрический модуль сравнительно невысок. Пьезоэлектрический модуль сегнетовой соли в 1000 раз больше, однако ее свойства сильно зависят от температуры и влаж­ности. Титанат бария имеет большое значение К_о, он механически прочен и нечувствителен к температуре и влажности, однако стареет: его К₀ падает примерно на 10 % за год.

Если приложенная сила не меняется, то заряды на гранях кристалла стекают в воздух или через изоляцию и разность потенциалов исчезает. Поэтому пьезоэлементы пригодны только для из­мерения динамических процессов.

Эти датчики относятся к генераторным и широко применяют­ся в бытовой технике (например, в звукоснимателе проигрывателя).

Пьезоэлектрические датчики нашли широкое применение в машиностроении. Прямой пьезоэффект используется при измере­нии быстро протекающих процессов, например вибраций, когда быстро меняющееся напряжение на гранях пьезоэлемента усили­вается и фиксируется. Обратный пьезоэффект используется для генерации высокочастотных звуковых колебаний, когда высоко­частотное переменное электрическое напряжение подается на пьезоэлемент, который сжимается и разжимается с той же часто­той, порождая в воздухе акустические волны.

Пьезоэлектрические преобразователи конструктивно просты, малогабаритны, надежны и широко применяются для измерения давления, силы, ускорения.

На рис. 3.7, а показано устройство пьезоэлектрического датчика давления с двумя кварцевыми плас­тинами. Измеряемое давление действует на мембрану 1, являющу­юся дном корпуса датчика. Кварцевые пластины 7зажаты между ме­таллическими прокладками 6. Средняя прокладка соединена с вы­водом 3, проходящим через экранированную втулку 2из изоляци­онного материала. Крышка ^соединяется с корпусом и через шарик 4 передает давление металлической прокладке и кварцевым пласти­нам. Использование двух (и более) пластин повышает выходную ЭДС, складывающуюся из ЭДС, возникающих на отдельных плас­тинах.

На рис. 3.7, б показан пьезоэлектрический датчик ускорения, используемый для измерения вибраций. Пьезоэлемент 5 из тита-ната бария расположен на корпусе прибора 4 между инерционной массой 3 и подпятником 2. Инерционная масса 3 и пьезоэлемент 5 прижаты к подпятнику 2 гайкой 1 через пяту 6 с изоляционной прокладкой и контактной пластиной. Датчик позволяет измерять ускорения от 0,2 до 1 g при частоте до 5 Гц. Выходная мощность пьезоэлектрических преобразователей очень мала, поэтому необходимо использовать усилители с боль­шим коэффициентом усиления и большим входным сопротив­лением.

Рис. 3.16. Пьезоэлектрические датчики давления (а) и ускорения (б)