Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрическими называются кристаллы и текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект). Особенностью пъезоэффекта является знакочувствительность, т.е. изменение знака заряда при замене сжатия растяжением и изменении знака деформации при изменении направления поля.

На рис. 16 приведена форма элементарной ячейки кристаллической структуры пьезоэлектрического кристалла – кварца.

Рис. 16. Кристаллическая структура кварца

Ячейка в целом электрически нейтральна, однако в ней можно выделить три направления, проходящие через центр и соединяющие два разнополярных иона.

Эти полярные направления называются электрическими осями или осями Х, и по ним направлены векторы поляризации Р ₁, Р ₂, Р ₃. Если к кристаллу кварца вдоль оси приложена сила F_х, равномер­но распределенная по грани, перпендикулярной оси X, то в резуль­тате деформации элементарной ячейки ее электрическая нейтраль­ность нарушается. При этом в деформированном состояния сумма проекций векторов Р ₂ и Р ₃ на ось X становится меньше (при сжа­тии) или больше (при растяжении) вектора Р ₁. В результате появ­ляется равнодействующая вектора поляризации, которой соответствуют поляризационные заряды на гранях (рис. 16,б,а). Деформация ячейки по оси X не влияет на электростатическое состояние вдоль оси X, Образование поляризационных зарядов при действии силы по оси X называется продольным пьезоэффектом.

При действии механических напряжений, приложенных вдоль оси У, геометрическая сумма проекций векторов Р ₂ и Р ₃ на ось У равна нулю, и на гранях пьезоэлемента, перпендикулярных оси У, поляри­зационные заряды не образуются. Однако сумма проекций векторов Р ₂ и Р ₃ на ось X оказывается не равной вектору Р ₁, что обуслов­ливает появление на гранях кристалла параллельных оси У положитель­ных и отрицательных зарядов (рис. 16,а). Эффект образования заря­дов на гранях, перпендикулярных нагруженным граням, называется поперечным.

При равномерном нагружении со всех сторон (например, гидро­статическом нагружении) кристалл кварца остается электрически нейтральным, как и при нагружении по оси Z, перпендикуляр­ной осям X и У и называемой оптической осью кристалла.

Разновидность пьезоэлектрических кристаллов, отличающаяся тем, что ячейка имеет одно или несколько взаимно неуравновешенных полярных направлений называется пъезоэлектриком. Благодаря этому эти кристаллы поляризуются при всестороннем гидростатическом давлении.

Принципиальная схема пьезоэлектрического преобразователя давления приведена на рис. 17.

Измеряемое давление действует на мембрану 1, представляющую собой дно корпуса преобразователя. Кварцевые пластины 2 соединены параллельно. Наружные обкладки кварцевых пластин заземляются, а средняя обкладка (латунная фольга 3) изолируется относительно корпуса самим кварцем, имеющим очень высокое удельное сопротивление. Сигнал с кварцевых пластин снимается экранированным кабелем 4. Выходная мощность пьезоэлектрических преобразователей очень мала, поэтому на выход преобразователя должен быть включен усилитель с возможно большим входным сопротивлением.