19. Пьезоэлектрические датчики

Работа основана на пьезоэлектрическом эффекте - проявляется в некоторых кристаллах в виде появления на их гранях электрических зарядов разных знаков при сжатии кристалла в определенном направлении. Слово «пьезо» по-гречески означает «давлю». В зависимости от значения силы сжатия (или растяжения) меняется количество зарядов, а следовательно, и разность потенциалов, замеренная между гранями. ПД относятся к генераторному типу.

Появление зарядов на гранях в зависимости от сжатия называется прямым пьезоэффектом. Обратный пъезоэффект: при подаче напряжения на грани кристалла изменяются его размеры (он сжимается или разжимается). Обратный пьезоэффект применяется в ультразвуковых генераторах. Прямой пьезоэффект в ПД используются в автоматике для измерения давлений, вибраций, ускорений, других параметров быстропротекающих процессов.

К

ристалл кварца, который имеет вид шестигранной призмы. В кристалле можно выделить три оси симметрии: Z — продольная ось (оптическая); X — поперечная ось, проходящая через ребра призмы перпендикулярно продольной оси (электрическая); Y — поперечная ось, проходящая через грани призмы перпендикулярно им и осям Z, X (механическая). Вырежем из кристалла кварца параллелепипед таким образом, чтобы его грани были перпендикулярны осям X, Y, Z, и рассмотрим появление зарядов на его гранях под действием сил, ориентированных по осям X, Y, Z, т. е. нормально к плоскостям граней. Под действием силы F_x вдоль электрической оси X на каждой из граней параллелепипеда, перпендикулярной оси X, появляются электрические заряды. Величина зарядов не зависит от геометрических размеров кристалла, а определяется силой F_x: К₀ — пьезоэлектрическая постоянная материала, или пьезоэлектрический модуль. Знак зарядов (полярность) зависит от направления силы по оси X (сила сжатия или сила растяжения).

Под действием силы растяжения F_Y вдоль механической оси Y возникают заряды на тех же гранях, что и при действии силы F_x , но знак заряда будет тот же, что при действии силы сжатия F_x. Величина зарядов под действием сил F_Y зависит от геометрических размеров кристалла b и с и пропорциональна силе:

Появление зарядов под влиянием силы F_x называется продольным пьезоэффектом, а под влиянием силы F_Y — поперечным пьезоэффектом. Сжатие или растяжение по оси Z не вызывает появления зарядов на гранях. Появляющиеся на гранях пьезоэлемента под действием сил F_x и F_Y электрические заряды исчезают, как только прекращается действие силы. Поэтому ПД используют лишь для измерения динамических процессов, когда под действием переменных сил заряды на гранях все время восполняются

У

стройство ПД давления с двумя кварцевыми пластинами. Измеряемое давление действует на мембрану 1, представляющую собой дно корпуса датчика. Кварцевые пластины 2 зажаты между металлическими прокладками 3. Средняя прокладка 3 соединена с выводом 4, проходящим через экранированную втулку 5 из изоляционного материала. Крышка 6 соединяется с корпусом и через шарик 7 передает давление пластинам, благодаря чему измеряемое давление распределяется по поверхности кварцевых пластин более равномерно. Кварцевые пластины обычно расположены так, что в измерительную схему подается отрицательный потенциал. Положительный потенциал подается на корпус датчика. Для уменьшения утечки зарядов необходима качественная изоляция, поверхность кварцевых пластин тщательно полируют. Использование двух и больше пластин повышает выходную ЭДС, т.к. выходные сигналы пластин складываются.