1.3.2.3. Пьезоэлектрические ип

Пьезоэлектрические ИП применяются для преобразования переменных механических усилий в количество электричества. Для функционирования ИП используется явление пьезоэлектрического эффекта. Имеют место прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты. Прямой пьезоэффект заключается в возникновении на соответствующих гранях пластины пьезокристалла разнополярных электрических зарядов при деформации других граней.

Классические примеры пьезоматериалов: кварц, титанат бария. Кварц является наиболее популярным минералом для его использования в качестве пьезоэлемента и по настоящее время. Имеет место достаточно сложная теория осей пьезокристалла. Расположение осей с соответствующими обозначениями механических напряжений по осям показаны на рисунке 22.

Рис. 22. Оси пьезокристалла

В соответствие с вышеуказанной теорией в пьезокристалле имеются главная оптическая ось и 2 оси перпендикулярные к ней (одна механическая, а другая электрическая).

Если механические напряжения прикладываются по оси x, то на гранях перпендикулярных к граням с приложенным усилием возникают разнополярные электрические заряды (q, -q), этот вариант пьезоэффекта называют продольный пьезоэффект:

, (10)

где K_п – пьезомодуль материала.

При приложении механического напряжения по оси y, т.е. наличии силы F_у имеет место так называемый поперечный пьезоэффект_. На перпендикулярных приложенному усилию и противоположных друг другу гранях так же генерируются разнополярные электрические заряды (q, -q):

, (11)

где f_x, f_y - площади граней, перпендикулярных осям x и y соответственно.

Для вышеназванных и им подобных пьезоматериалов пьезоэффект по оси Z отсутствует.

ИП на основе кварца представляет собой пластину пьезоматериала с металлическими обкладками по нужным граням, последние, естественно, снабжены электродами для связи с потребителями ИП. Базовая эквивалентная схема пьезоэлемента приведена на рисунке 23. В режиме холостого хода () пьезоэлектрический ИП при реализации варианта продольного пьезоэффекта генерирует ЭДС:

(12)

Рис. 23. Эквивалентная электрическая схема пьезолемента

При этом ёмкость пьезоэлемента:

. (13)

К достоинствам пьезоэлектрических ИП можно отнести:

1. Относительную простоту конструкции;

2. Малые габариты;

3. Универсальность (пьезопреобразователи имеют более чем широкую область применения;

4. Широкий частотный диапазон от единиц герц до гигагерц;

5. Наличие, как и у индукционных преобразователей практически линейной зависимости ЭДС от скорости изменения воздействия.

К недостаткам можно отнести:

1. Малую чувствительность;

2. Невозможность измерения преобразований статических величин (например, атмосферного давления).

Примечания: 1. Существует и обратный пьезоэффект (естественно, поскольку термин – «прямой пьезоэффект» упомянут ранее). При обеспечении переменной разности потенциалов на соответствующих гранях кристалла обуславливается переменная же механическая деформация. В технической практике наиболее массово этот эффект используется для построения устройств вывода акустической информации, излучателей акустических измерительных систем.

2. Имеются и используются и иные (отличные от классических) пьезоматериалы:

1. Пирроэлектрики (например, турмалин), у которых имеет место неуравновешенная поляризация при всестороннем гидростатическом давлении. Ячейка (домен) такого пьезоматериала имеет структуру осей «давление – поляризация» мысленно сопоставимую со структурой снежинки. Поляризация пирроэлектрика возникает и при тепловом расширении, т.е. такой ИП может использоваться для преобразования тепловой радиации;

2. Сегнетоэлектрики входят в группу пирроэлектриков, у них так же имеют место поляризационные домены. Структура осей «давление – поляризация» доменов мысленно можно сопоставить с пространственным вариантом схемы «звезда» электротехники. Отличительной особенностью данной подгруппы пьезоматериалов является то, что сегнетоэлектрики являются искусственно созданными пьезоматериалами (например, керамика с различными наполнителями). Данные материалы имеют резко выраженную нелинейность статических характеристик.

Выводы: 1. Пьезоматериалы могут использоваться для измерительного преобразования силы, давления, ускорения, тепловой радиации. 2. Материалы с обратным пьезоэффектом могут использоваться (и используются) в качестве излучателей звуковых колебаний (динамики, «пищалки»), в том числе в качестве источника ультразвука при эхолокации. Отметим, что при таком варианте использования преобразователя имеет место упомянутая ранее смена направления входного воздействия. 3. Пьезоматериалы имеющие и прямой и обратный эффект (кварц) применяются в качестве электрических резонаторов. Такие резонаторы используются в качестве частотных резонаторов (резонанс на заданной при изготовлении элемента частоте) устройств цифровой электроники, в том числе – задание тактовых частот всех процессоров ПК. В радиоэлектронике кварцевые резонаторы используются, например, для задания фиксированных, высокостабильных частот колебательных контуров гетеродинов. При использовании пьезопреобразователей в качестве частотных резонаторов направление прохождения сигналов через преобразователь является двунаправленным.