Глава 7 пьезоэлектрические датчики

§ 7.1. Принцип действия

Работа пьезоэлектрического датчика основана на физическом явле­нии, которое называется пьезоэлектрическим эффектом. Этот эф­фект проявляется в некоторых кристаллах в виде появления на их гранях электрических зарядов разных знаков при сжатии кристалла в определенном направлении. Слово «пьезо» по-гречески означает «давлю». В зависимости от значения силы сжатия (или растяжения) меняется количество зарядов, а следовательно, и разность потенци­алов, замеренная между гранями. Пьезоэлектрические датчики от­носятся к генераторному типу.

Широко известны пьезоэлектрические звукосниматели: игла звукоснимателя воспринимает все изменения глубины звуковой до­рожки и передает их на пьезокристалл. Выходное напряжение с пье-зокрйсталла усиливается, и через динамик мы слышим записанные звуки. Появление зарядов на гранях в зависимости от сжатия назы­вается прямым пьезоэффектом. Существует и обратный пьезоэффект: при подаче напряжения на грани кристалла изменяются его разме­ры (он сжимается или разжимается). Обратный пьезоэффект (наря­ду с магнитострикционным, упомянутым в § 6.6) нашел применение в ультразвуковых генераторах. А основанные на прямом пьезоэф-фекте пьезоэлектрические датчики используются в автоматике для измерения давлений, вибраций, ускорений, других параметров бы-стропротекающих процессов.

Рассмотрим появление зарядов на гранях кристалла кварца, у которого пьезоэлектрический эффект достаточно сильно выражен. На рис. 7.1 изображен кристалл кварца, который имеет вид шести­гранной призмы. В кристалле можно выделить три оси симметрии: Z — продольная ось, называемая оптической осью; X — поперечная

ось, проходящая через ребра призмы перпендикулярно продольной оси; Y — поперечная ось, проходящая через грани призмы перпен­дикулярно им и осям Z, X. Ось X называется электрической осью, ось Y — механической, или нейтральной.

Вырежем из кристалла кварца параллелепипед таким образом, чтобы его грани были перпендикулярны осям X, Y, Z, и рассмотрим появление зарядов на его гранях под действием сил, ориентирован­ных по осям X, Y, Z, т. е. нормально к плоскостям граней. Под дей­ствием силы F_x вдоль электрической оси X на каждой из граней па­раллелепипеда, перпендикулярной оси X, появляются электриче­ские заряды. Величина зарядов не зависит от геометрических размеров кристалла, а определяется силой F_x:

где ао — пьезоэлектрическая постоянная материала, или пьезоэлек­трический модуль. Знак зарядов (полярность) зависит от направле­ния силы по оси X (сила сжатия или сила растяжения).

Под действием силы растяжения F_Y вдоль механической оси Y возникают заряды на тех же гранях, что и при действии силы F_x (т. е. на гранях, перпендикулярных оси X), но знак заряда будет тот же, что при действии силы сжатия F_x. Соответственно сила сжатия

F_Y приводит к появлению зарядов на тех же гранях и того же знака, что сила растяжения F_x. Величина зарядов под действием сил F_r за­висит от геометрических размеров кристалла Ь и с (рис. 7.1) и про­порциональна силе:

Коэффициент kq в формулах (7.1) и (7.2) один и тот же. Знак минус означает, что полярность заряда от сил сжатия по осям Хи Y противоположна. Появление зарядов под влиянием силы /^называ­ется продольным пьезоэффектом, а под влиянием силы F_Y — попереч­ным пьезоэффектом. Сжатие или растяжение по оси Z не вызывает появления зарядов на гранях. Появляющиеся на гранях пьезоэле-мента под действием сил F_x и F_Y электрические заряды исчезают, как только прекращается действие силы. Кроме того, даже если сила приложена постоянно, заряды стекают через воздух или изоля­цию. Поэтому пьезоэлектрические датчики используют лишь для измерения динамических процессов, когда под действием перемен­ных сил заряды на гранях все время восполняются. В пьезоэлектри­ческих датчиках получили применение кроме кварца сегнетова соль и титанат бария. Свойства кристаллов этих материалов, имеющие значение для изготовления пьезодатчиков, приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1. Свойства пьезоэлектрических кристаллов
Кристалл	Пьезоэлектрический модуль АЬ, А/Я	Диэлектрическая проницаемость s	Удельное сопротивление, Ом-мм2/м
Кварц	• • 2.1-10-3	4,5	1 • 10'2- вдоль оптической оси, 2 • 10м - перпендикулярно оптиче­ской оси
Сегнетова соль	2,1	9-103	-
Титанат бария	0,225	104	-

Пьезоэлектрический модуль кварца сравнительно невысок. Но его главное достоинство — низкая стоимость. Ведь кварц — это один из самых распространенных породообразующих минералов, его состав (SiO₂) тот же, что и у обычного песка. Кварц также имеет, большую механическую прочность, хорошие изоляционные свойст­ва, незначительную зависимость параметров от температуры.

Наиболее ярко пьезоэлектрический эффект выражен в кристал­лах сегнетовой соли: при одной и той же силе появляется в тысячу раз большее количество электричества, чем у кварца. Однако эти за-

ряды довольно быстро стекают из-за малого удельного сопротивле­ния. Свойства сегнетовой соли изменяются в зависимости от темпе­ратуры и влажности. Поэтому пьезоэлементы из сегнетовой соли применяются для измерения быстропеременных сил и давлений при малой влажности и нешироком диапазоне изменения температуры окружающей среды.

Титанат бария имеет и большое значение пьезоэлектрического модуля (на два порядка выше, чем у кварца), и высокую механиче­скую прочность, и независимость параметров от изменения влажно­сти. Его недостаток — старение, со временем он теряет свои свойст­ва (примерно на 10 % за год).