Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрические преобразователи основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварца, сегнетовой соли и др.) под влиянием механических напряжений.

Из кристалла кварца вырезается пластинка, грани которой должны быть перпендикулярны оптической оси 0 z, механической оси 0 у и электрической оси 0 х кристалла (рис. 4.1.28).

При воздействии на пластину усилия F_х вдоль электрической оси на гранях х появляются заряды , где k – пьезоэлектрический коэффициент (модуль). При воздействии на пластину усилия F _у вдоль механической оси на тех же гранях х появляются заряды , где а и b – размеры граней пластины. Механическое воздействие на пластину вдоль оптической оси не вызывает появление зарядов.

Устройство и принцип действия пьезоэлектрического преобразователя для измерения давления газа показаны на рис. 4.1.29. Давление р через металлическую мембрану 1 передается на зажатые между металлическими прокладками 2 кварцевые пластинки 3. Шарик 4 служит для равномерного распределения давления по поверхности кварцевых пластинок. Средняя прокладка соединена с выводом 5, проходящим через втулку из хорошего изоляционного материала. При воздействии давления р между выводом 5 и корпусом преобразователя возникает разность потенциалов , где Q – заряд, возникающий на пластинке кварца; С_П – емкость преобразователя; С₀ - емкость проводов и входной цепи прибора, измеряющего разность потенциалов; k - пьезоэлектрический модуль кварца; s – площадь поверхности мембраны, подверженная давлению. По разности потенциалов U судят о значении давления р.

В пьезоэлектрических преобразователях главным образом применяется кварц, у которого пьезоэлектрические свойства сочетаются с высокой механической прочностью и высокими изоляционными свойствами, а также с независимостью пьезоэлектрической характеристики от температуры в широких пределах. Размеры пластин и их число выбираются исходя из конструктивных соображений и требуемого значения зарядов. Заряд, возникающий в пьезоэлектрическом преобразователе, «стекает» по изоляции и входной цепи измерительного прибора. Поэтому приборы, измеряющие разность потенциалов на пьезоэлектрических преобразователях, должны иметь высокое входное сопротивление (10¹² – 10¹⁵ Ом), что практически обеспечивается применением электронных усилителей с высоким входным сопротивлением. Из-за «стекания» заряда эти преобразователи используются для измерения только быстро изменяющихся величин (переменных усилий, давлений, параметров вибраций, ускорений и т.д.).