Пьезоэлектрические преобразователи.

Пьезоэлектрические преобразователи выполняются из ма­териалов, в которых может возникать пьезоэлектрический эффект.

Пьезоэффект может быть прямым и обратным.

Прямой пьезоэффект заключается в возникновении элект­рических зарядов на гранях пьезоэлектрика при воздействии на него механической силы, вызывающей напряжение в мате­риале. При устранении силы заряды исчезают.

Обратный пьезоэффект проявляется в том, что пьезоэлектрик, помещенный в электрическое поле, изменяет свои геомет­рические размеры.

Чаще всего в качестве пьезоэлектрика применяется кварц, на примере которого и рассмотрим принцип действия пьезо­электрического преобразователя.

В кристаллах кварца принято различать три главные оси: оптическую z, электрическую х и механическую у (рис. 3.56).

Рис. 3.56. Кристалл кварца

Параллелепипед, вырезанный из кристалла кварца так, чтобы его грани были параллельны главным осям, обладает следующими свойствами:

1) при воздействии силы F_у, направленной вдоль электри­ческой оси х, на гранях bc, перпендикулярных этой оси, появляются электрические заряды. Это так называемый продоль­ный пьезоэффект;

2) при воздействии силы F_у, направленной вдоль механи­ческой оси у, заряды появляются так же на гранях bc. Это – поперечный пьезоэффект;

3) если приложить механическую силу вдоль оптической оси z, то заряды не

возникнут.

Величина зарядов, возникающих на гранях кристалла bc под действием силы F_X, не зависит от геометрических разме­ров кристалла и равна (1)

, (3.48)

где d₁ – постоянный коэффициент, называемый пьезоэлектрической постоянной.

Величина зарядов, возникающих под действием силы F_y зависит от геометрических размеров кристалла и имеет про­тивоположный знак

, (3.49)

где d₁ – та же постоянная, что и в формуле (3.49), b и а – дли­на граней.

Из формулы (3.49) видно, что в случае необходимости мож­но повысить чувствительность пьезоэлектрика, увеличив отношение b/a.

В случае растягивающих усилий вдоль осей х и у возни­кающие заряды будут иметь знаки, противоположные случаю сжимающих усилий.

В тех случаях, когда параллелепипед вырезан не вдоль осей, а под углом к ним, возникающие заряды будут меньше. Учет углов рассматривается в специальной литературе.

Устройство пьезоэлектрического преобразователя схема­тично изображено на рис. 3.57.

Рис. 3.57. Устройство пьезоэлектрического преобразователя.

1 – кабель; 2 – мембрана; 3 – латунная фольга; 4 – кварцевые пластины; 5 – пробка

Здесь измеряемое давление Р действует на мембрану 1, которая является одновременно дном корпуса преобразова­теля. Кварцевые пластины 2 соединены параллельно. Наруж­ные обкладки кварцевых пластин заземляются, а средняя об­кладка изолируется от корпуса самим кварцем, удельное со­противление которого велико (при 20°С, ).

Сигнал с кварцевых пластин снимается при помощи латун­ной фольги 3 и по кабелю 4 подается на вход измерительного усилителя. Для удобства соединения вывода от фольги с внутренней жилой кабеля в корпусе преобразователя преду­смотрено отверстие, закрываемое пробкой 5.

Заряд, возникающий на гранях пьезоэлемента под дейст­вием силы Р, сохраняется лишь при отсутствии утечки, т.е. при бесконечно большом входном сопротивлении измеритель­ной цепи. Практически это условие невыполнимо, а потому пьезоэлектрические преобразователи для измерения статиче­ских сил не применяются. При действии динамических, т.е. переменных во времени, сил количество электричества на гра­нях все время восполняется и становится возможным потреб­ление тока измерительной цепью.

Тем не менее, требование к величине входного сопротивле­ния измерительной цепи остается жестким, так как выходная мощность пьезоэлектрических преобразователей очень мала и на выход преобразователя должен быть включен усилитель с возможно большим входным сопротивлением (10¹⁰ – 10¹³ Ом). Этому требованию обычно удовлетворяют только электромет­рические лампы.

Эквивалентную схему пьезоэлектрического преобразовате­ля можно представить (рис. 3.58.а).

Рис. 3.58. Эквивалентные схемы пьезоэлектрического преобразовате­ля.

а) полная; б) упрощенная

Здесь С_О – собственная емкость пьезоэлектрика; С_ВХ – емкость кабеля и входная емкость измерительной цепи; Ro – сопротивление преобразователя с учетом сопротивления изоляции линии относительно земли; R_ВХ – входное сопротив­ление измерительной цепи.

На рис. 3.58. б представлена упрощенная эквивалентная схе­ма, в которой

Если вдоль электрической оси пьезоэлектрика приложена сила, изменяющаяся по закону синуса, т.е. F_X = F_Xm×sinwt то направление на выходе преобразователя тоже будет изме­няться синусоидально.

Пьезоэлектрические преобразователи применяются для из­мерения переменных сил, давлений, вибрационных ускорений.

Ранее (см. рис. 3.57) был представлен один из приборов, использую­щий пьезопреобразователь и предназначенный для измерения величины давления.

Другим примером применения пьезоэлементов служат профилометры – приборы для оценки шероховатости поверхности обрабатываемой детали (рис. 3.59).

Ощупывающая алмазная игла 1, имеющая радиус закруг­ления 1,5 мкм, укреплена на конце подвижного коромысла 2, которое может вращаться вокруг оси 3. На другом конце ко­ромысла имеется «смычок» 4, связывающий при помощи эла­стичной ленточки 5 подвижное коромысло со свободным концом пластинок 6 из сегнетовой соли. Другой конец пластинок закреплен неподвижно. Пластинки соединены параллельно так, что на наружных гранях пластинок появляется заряд од­ного знака.

Рис. 3.59. Устройство профилометра.

1 – алмазная игла; 2 – коромысло; 3 – ось; 4 – «смычок»; 5 – эластичная ленточка; 6 – пластинки; 7 – экранированный кабель

При перемещении иглы 1 в вертикальном направлении (из-за шероховатостей исследуемой поверхности) свободный ко­нец пластинок 6 также перемещается, пластинки изгибаются и на поверхностях пластин появляется заряд. Гибкий экрани­рованный кабель 7 соединяет грани пьезопреобразователя с измерительной цепью.