3.4. Пьезоэлектрические материалы.

Пьезоэлектрическим называется материал, механическая деформация (в результате действия силы) которого сопровождается образованием электрического заряда. К пьезоэлектрическим материалам относятся пьезоэлектрические монокристаллы, например, монокристаллы кварца и сегнетовой соли, и искусственно поляризованные ферроэлектрические керамики, являющиеся относительно сложными смесями титановокислого бария, цирконокислого свинца и метаниобиевокислого свинца.

Процесс поляризации пьезокерамики аналогичен процессу намагничивания железа в магнитном поле. Приложение кратковременного импульса высокого напряжения сопровождается ориентацией доменов молекулярной структуры материала в одном направлении. Внешняя сила, действующая на претерпевший такую обработку пьезоэлектрический материал, обусловливает деформацию упомянутых доменов и образование электрического заряда на противоположных друг другу концах материала. Описанный процесс иллюстрирует рисунок 3.3.

Рисунок 3.3. Упрощенная модель пьезоэлектрического эффекта искусственно поляризованной керамики. Электрический заряд q снимается с указанных поверхностей

Электрический заряд, образуемый в результате деформации при сжатии, снимается в направлении поляризации пьезоэлектрического материала. Главная невыгода соответствующей конструкции заключается в том, что образуемый в результате воздействий окружающей среды (например, флуктуации температуры) паразитный электрический заряд совпадает с зарядом, возникающим в связи с воспринимаемыми акселерометром механическими колебаниями. Следовательно, отдаваемый таким акселерометром электрический сигнал не отображает лишь воздействующие на его основание механические колебания, а в некоторой степени также условия окружающей среды. Противоположное справедливо в случае пьезоэлементов, генерирующих электрический заряд при деформации под срезывающим усилием. Этот заряд снимается в направлении, перпендикулярном к направлению поляризации пьезоэлектрического материала. Следовательно, образуемый в результате воздействий окружающей среды (например, флуктуации температуры) паразитный электрический заряд вообще не сказывается на отдаваемом соответствующим акселерометром электрическом сигнале. Почти совершенное отсутствие паразитного электрического заряда является одним из главных преимуществ акселерометров, в конструкции которых используются работающие под срезывающим усилием пьезоэлементы.

Ферроэлектрические керамики поддаются механической обработке и их химический состав можно изменять так, чтобы обеспечить нужную эксплуатационную характеристику и соответствующие различным областям применения акселерометров специальные параметры. Более сложные проблемы связаны с пьезоэлектрическими монокристаллами, химический состав которых нельзя изменять и форма вырезов которых сильно зависит от формы исходного монокристалла. Следовательно, чувствительность и собственная емкость акселерометров с изготовленными из монокристаллического материала (например, из кварца) пьезоэлементами в большинстве случаев меньше чувствительности и емкости акселерометров с пьезоэлементами из ферроэлектрической керамики.