8. Пьезоэлектрические преобразователи

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 F и по­ложением граней относительно электрической оси симметрии кристаллической решетки:

Кристалл	Пьезоэлектрический модуль К0, Кл/Н	Диэлектрическая проницаемость, ε
Кварц	0,0021	4,5
Сегнетова соль	2,1	9 000
Титанат бария	0,225	10 000

где К_о - пьезоэлектрический модуль материала, [К_о ] = Кл / Н. Пьезоэлектрические свойства различных материалов показаны

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 К_о 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. 3.16, а показано устройство пьезоэлектрического датчика давления с двумя кварцевыми пластинами. Измеряемое давление действует на мембрану 1, являющуюся дном корпуса датчика. Кварцевые пластины 7 зажаты между металлическими прокладками 6. Средняя прокладка соединена с выводом 3, проходящим через экранированную втулку 2 из изоляционного материала. Крышка 5 соединяется с корпусом и через шары 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. 3.16, 6 показан пьезоэлектрический датчик ускорения используемый для измерения вибраций. Пьезоэлемент 5 из титаната бария расположен на корпусе прибора 4 между инерционной массой 3 и подпятником 2. Инерционная масса 3 и пьезоэлемент 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.