28. П'єзоелектричні вимірювальні перетворювачі. Прямий та зворотній п'езоефект

П'єзоефект – виникнення електричних зарядів (п’єзоелектрики) на гранях деяких кристалів при їхній деформації (напруженні), або навпаки – виникнення деформації (напруження) цих кристалів внаслідок дії електричного поля.

Робота п'єзоелектричних перетворювачів заснована на використанні п'єзоелектричного ефекту, що представляє собою здатність деяких матеріалів утворювати на гранях поверхні при механічному нагружении електричні заряди (так званій прямій пьезоэффект), а при додатку електричного поля механічно деформуватися (зворотний пьезоэффект).

Найважливішими природними матеріалами, що володіють п'єзоелектричними властивостями, є кварц і турмалін. З названих матеріалів особлива перевага віддається кварцу, що має задовільні п'єзоелектричні властивості, дуже високе опір, відносно малу температурну залежність пьезоизоляционных постійних, високу механічна міцність і великий модуль пружності.

Останнє дозволяє шляхом відповідного вибору відносини, а змінювати чутливість перетворювача, межа якої обмежується механічною міцністю пластинки. При механічному впливі на пластину в напрямку осі Z заряди на електродах не з'являються зовсім. Іншою перевагою кварцу є лінійність його характеристики при нагружении аж до руйнування.

Другий природний пьезоматериал турмалін на відміну від кварцу має не дві пьезочувствительные площини, а тельки одну оптичну вісь Z. Тому турмалінові пластини вирізують так, щоб їхні робочі поверхні були перпендикулярні до оптичної осі. Завдяки цій особливості турмалін може застосовуватися для виміру гідростатичного тиску, що робить його трудиозаменимыу для вимірі тиску в рідині. До недоліків турмаліну варто віднести значно більшу в порівнянні із кварцом температурну залежність пьезомодуля.

Крім того, він дуже рідко зустрічається в природі й має високу вартість, що істотно обмежує його практичне застосування. Поряд із зазначеними природними кристалами в техніку знаходять застосування й штучні кристали: сегнетовая сіль (KNT), дигидрофосфат амонію (АДР), дигидрофосфат калію (КДР) і ін. На відміну від кварцу й турмаліну пластини зі штучних кристалів вирізьблюються під деяким кутом до полярних осей. Сегнетовая сіль має дуже високий пьезомодуль (приблизно в 150 разів більше пьезомодуля кварцу).

На жаль, вона має низьку механічну міцність, більшу залежність від температури й вологості. Інші сегнетоэлектрики (КДР і АДР) мають більше високу механічну міцність, але внаслідок значної температурної залежності для вимірювальних цілей застосовуються рідко. В останні роки широке поширення одержали сегнетоэлектрики у вигляді пьезокерамик титанату барію і його композицій, ниобатов, цирконата титанату свинцю й ін.

Всі вони в порівнянні із кварцом мають великий пьезомодуль, механічно міцні, а крім того, можуть бути виготовлені будь-якої форми й розмірів. Та або інша форма (звичайно диск, пластина, стрижень або циліндр) забезпечується відповідної прессформой. Отримана заготівля металізується й поляризується при відповідній температурі в електричному полі. Історично першим з пьезоэлектриков був відкритий і впроваджений у практику вимірів титанат барію.

На жаль, поряд з позитивними якостями йому властиві й дуже серйозні недоліки: зміна пьезомодуля при коливаннях температури, у процесі зберігання, залежно від величини прикладеного навантаження, величини шунтирующей ємності й т.д. Так, вплив механічної напруги позначається в тім, що при навантаженні біля 8-Ю7 н м2 (8 кгс[мм2) пьезомодуль d33 починає істотно знижуватися й лінійність характеристики Q=f(P) порушується. Ємність, шунтувальна пьезоэлемент (так звана масштабна ємність), при величині більше 0,1 мкф також викликає помітне зменшення пьезомодуля.

По цій і іншій причинах пьезокерамика із чистого титанату барію (ТБ-1) у відповідальних вимірах не застосовується. Присадка до титанату барію деякої кількості титанату кальцію (подвійна композиція типу ТБК-3) або титанати кальцію з титанатом свинцю (потрійна композиція типу БКС) зменшує температурну й тимчасову залежності пьезомодуля й діелектричної проникності, однак абсолютні величини їх при цьому істотно зменшуються. Всі перераховані пьезокерамики мають у цей час широке поширення й використовуються для найрізноманітніших цілей. Пьезоэлемент, що працює на вигин, складається із двох однакових склеєних між собою балок або пластинок, між якими перебуває металева прокладка. При вигині такого елемента одна балка подовжується, а інша коротшає. При відповідній поляризації елементів можна одержати або суму напруг, або суму зарядів.