Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрические преобразователи используют прямой пьезоэлектрический эффект, заключающийся в появлении электрического заряда на поверхности некоторых кристаллов (кварц, турмалин, титанат бария) под влиянием механических напряжений. Это позволяет их использовать в качестве первичных измерительных преобразователей силы, давления и ускорения. Выходная мощность этих преобразователей мала, поэтому к выходу преобразователя должен быть подключен измерительный усилитель с высоким входным сопротивлением (10¹¹ Ом и более).

Пример. Измерительный преобразователь переменного давления.

Используются кварцевые пластины, наружные обкладки которых заземлены, а внутренние разделены слоем латунной фольги. Вывод от фольги с помощью экранированного кабеля подаётся на вход измерительного усилителя (рис. 4.20).

Рис. 4.20. Схема измерительного преобразователя переменного давления

Электрический заряд, возникающий на кварцевых пластинах, пропорционален давлению:

где k – пьезоэлектрический коэффициент; – сила, воздействующая на пьезоэлектрик с частотой ; S – площадь мембраны, на которую воздействует сила.

Эквивалентная схема измерительного преобразователя имеет вид, показанный на рис. 4.21.

Рис. 4.21. Эквивалентная схема измерительного преобразователя
переменного давления: q – заряд; С₀ – ёмкость преобразователя; R₀ – сопротивление преобразователя; С_ВХ – ёмкость кабеля и входная ёмкость измерительной цепи; R_ВХ – входное сопротивление измерительной цепи

Обозначим

Тогда

где .

Порядок величин: R ≈ 10⁹ Ом; С ≈ 10^-11 Ф.

Пьезоэлектрические преобразователи используются, как правило, для измерений быстроизменяющихся величин давления и силы.

4.7. Моделирование в системе Micro-CAP
первичных измерительных преобразователей