Конструктивные принципы построения емкостных датчиков параметров среды

Емкостные датчики широко применяются для измерения раз­личных параметров окружающей среды. Одним из самых важ­ных параметров такого рода является давление жидкости или газа.

13. Пьезоэлектрические датчики

Физические явления при пьезоэффекте

Механическое воз­действие, приложенное определенным образом к пьезоэлектри­ческому кристаллу, порождает в нем электрическое напряжение. Это явление называется прямым пьезоэффектом. И наоборот, электрическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому кристаллу, вызывает его механическую деформацию, что пред­ставляет собой обратный пьезоэффект.

Пьезоэффект обладает знакочувствительностью. Пьезоэлектричество наблюдается как в монокристаллических материалах, например в кварце, турмалине, ниобате лития, сегнетовой соли и др., так и в поликристаллических материалах, например в титанате бария, титанате свинца, цирконате свинца и др.

Физические явления, происходящие при пьезоэлектрическом эффекте, рассмотрим на примере широко известного пьезокристаллического материала — кварца, как показано на рис. 1.

Чтобы получить хорошие пьезоэлектрические свойства, квар­цевые кристаллы следует точно ориентировать. Природные фор­мы кристаллов также ограничиваются простейшими конфигура­циями, например пластинками или дисками.

Рис. 1. Схемы продольного (а) и поперечного (б) сжатия и сдвига (в) в кристалле кварца

Деформация ячейки не влияет на электрическое состояние вдоль оси Y. Здесь сумма поляризационных векторов в силу симметрии равна нулю.

Образование поляризационных зарядов на гранях, перпенди­кулярных оси X, под воздействием силы, направленной по этой оси X, называется продольным пьезоэффектом.

Эффект образования электрических зарядов на гранях, перпендикулярных механически нагружае­мым, называется поперечным пьезоэффектом.

При равномерном нагружении кристалла со всех сторон (на­пример, при гидростатическом сжатии) кристалл кварца остает­ся электрически нейтральным. Кристалл кварца остается также электрически нейтральным при механическом нагружении, дей­ствующем вдоль оси Z, перпендикулярной осям X и Y. Эта ось называется оптической осью кристалла.

При механическом воздействии сдвига, как показано на рис. 1, в, геометрическая сумма проекций векторов Р₂ и Р₃ на ось X оказывается равной третьему вектору направлен­ному вдоль оси X, и на гранях, перпендикулярных оси X, по­ляризационных зарядов не возникает. Однако проекции векто­ров Р₂ и Р₃ на ось Y между собой не равны, и на гранях, пер­пендикулярных оси У, возникает заряд.

Кроме естественных кристаллов, подобных кварцу или тур­малину, для получения пьезоэффекта может быть использована также и пьезокерамика.

Конструктивные принципы построения пьезодатчиков

Достоинствами пьезоэлектрических преобразователей являются их малые габариты, надежность в работе, простота конструкции, возможность измерения переменных, в том числе высокочастот­ных, величин, очень высокая точность преобразования механи­ческих напряжений в электрический сигнал.