Пьезоэлектрические преобразователи

 

Прямой пьезоэффект заключается в возникновении электрических зарядов на гранях пьезоэлектрика при воздействии на него механической силы, вызывающей напряжение в материале.

Обратный пьезоэффект проявляется в том, что пьезоэлектрик, помещенный в электрическое поле, изменяет свои геометрические размеры.

В кристаллах кварца принято различать главные оси: электрическую X, механическую У и оптическую Z (pиc. 51). Параллелепипед, вырезанный из кристалла кварца так, чтобы его грани были параллельны главным осям, обладает следующими свойствами:

• продольным пьезоэффектом при воздействии силы F_x, направленной вдоль электрической оси X, на гранях be, перпендикулярных этой оси, появляются электрические заряды;

• поперечным пьезоэффектом при воздействии силы F_y, направленной вдоль механической оси Y, заряды появляются также на гранях bc;

• отсутствием зарядов при приложении механической силы вдоль оптической оси Z

 

Рис. 51. Кристалл кварца

 

Величина зарядов, возникающих на гранях кристалла bc под действием силы F_x, не зависит от геометрических размеров кристалла.

Величина зарядов, возникающих под действием силы F_y, зависит от геометрических размеров кристалла и имеет противоположный знак. В случае необходимости можно повысить чувствительность пьезоэлектрика, увеличив отношение b/а.

В случае растягивающих усилий вдоль осей Х и У возникающие заряды будут иметь знаки, противоположные случаю сжимающих усилий. В тех случаях, когда параллелепипед вырезан не вдоль осей, а под углом к ним, возникающие заряды будут меньше.

В качестве пьезоэлектриков наиболее часто применяют сегнетову соль, кварц, титанат бария.

Сегнетова соль обладает наибольшей пьезоэлектрической чувствительностью. Недостатки ее: сильная гигроскопичность, малая механическая прочность, низкое удельное электрическое сопротивление делают возможным применение ее только в лабораторных условиях для измерения быстропеременных сил и давлений.

Керамика титаната бария обладает высокой механической прочностью, и ее свойства не зависят от влажности. Недостатками пьезоэлементов из керамики титаната бария являются сильная зависимость пьезоэлектрической постоянной от температуры, а также изменение свойств керамики во времени.

В последнее время получены новые пьезокерамические материалы, например пьезокерамика на основе свинца и бария, которые могут работать при температурах до 200 °С.

Наибольшее применение для измерительных целей получил кварц, так как он обладает высокой механической прочностью, хорошими изоляционными качествами, независимостью пьезоэлектрической постоянной от температуры в широком диапазоне. Кроме того, кварц негигроскопичен.

Недостатком кварца является значительная зависимость удельного сопротивления кварца от температуры.

Устройство пьезоэлектрического преобразователя схематично изображено на рис. 52. Здесь измеряемое давление Р действует на мембрану 2, которая является одновременно дном корпуса преобразователя. Кварцевые пластины 4 соединены параллельно. Наружные обкладки кварцевых пластин заземляются, а средняя обкладка (латунная фольга 3) изолируется относительно корпуса самим кварцем, удельное сопротивление которого велико.

 

 

Рис. 52. Устройство пьезоэлектрического преобразователя:

1 — кабель; 2 — мембрана; 3 — латунная фольга; 4 — кварцевые пластины; 5 — пробка

 

Сигнал с кварцевых пластин снимается при помощи латунной фольги 3 по кабелю 1 подается на вход измерительного усилителя. Для удобства соединения вывода от фольги с внутренней жилой экранированного кабеля в корпусе преобразователя предусмотрено отверстие, закрываемое пробкой 5.

Заряд, возникающий на гранях пьезоэлемента под действием силы Р, сохраняется лишь при отсутствии утечки. Пьезоэлектрические преобразователи для измерения статических сил не применяются.

Тем не менее, требование к величине входного сопротивления измерительной цепи остается жестким, так как выходная мощность пьезоэлектрических преобразователей очень мала и на выход преобразователя должен быть включен усилитель с возможно большим входным сопротивлением.

Если вдоль электрической оси пьезоэлектрика приложена сила, изменяющаяся по закону синуса, то направление на выходе преобразователя тоже будет изменяться синусоидально.

Если бы входное сопротивление измерительной цепи было бесконечным, то напряжение преобразователя определялось бы только генерируемым количеством электричества и собственной емкостью.

Величина сопротивления пластин пьезоэлектрика, например из кварца, составляет 10¹⁵... 10¹⁶ Ом. Поверхностное сопротивление кварца лежит в пределах 10⁹... 10¹⁰ Ом. Необходимо следить за тем, чтобы поверхность пьезоэлектрика не загрязнялась, в противном случае сопротивление резко упадет.

Основными составляющими погрешностями пьезоэлектрических преобразователей являются:

• погрешность от изменения параметров измерительной цепи;

• погрешность от изменения окружающей температуры, связанная с изменением пьезоэлектрической постоянной;

• погрешность из-за неправильной установки пластин, которая может быть учтена при градуировке;

• погрешность, вызванная чувствительностью к силам, действующим вдоль механической оси;

• частотная погрешность.

Нижняя граница частотного диапазона определяется величиной постоянной времени цепи , которую можно увеличить путем повышения входного сопротивления R_вх. Увеличение входной емкости С_вх ведет к потере чувствительности преобразователя.

Верхняя граница допустимого частотного диапазона определяется частотой собственных колебаний преобразователя. Пьезоэлектрические преобразователи могут быть выполнены с частотой собственных колебаний до 100 кГц, что позволяет использовать их для измерения механических величин, изменяющихся с частотой до 7...10 кГц.

Пьезоэлектрические преобразователи применяют для измерения переменных сил, давлений, вибрационных ускорений.

Примером применения пьезоэлементов служат профилометры — приборы для оценки шероховатости поверхности обрабатываемой детали (рис. 53).

Ощупывающая алмазная игла 1, имеющая радиус закругления 1,5 мкм, укреплена на конце подвижного коромысла 2, которое может вращаться вокруг оси 3. На другом конце коромысла имеется «смычок» 4, связывающий при помощи эластичной ленточки 5 подвижное коромысло со свободным концом пластинок 6 из сегнетовой соли. Другой конец пластинок закреплен неподвижно. Пластинки соединены параллельно так, что на наружных гранях пластинок появляется заряд одного знака.

 

Рис. 53. Устройство профилометра:

1 — алмазная игла; 2 — коромысло; 3 — ось; 4 — «смычок»; 5 — эластичная ленточка; 6 — пластинки; 7 — экранированный кабель

 

При перемещении алмазной иглы 7 в вертикальном направлении (из-за шероховатостей исследуемой поверхности) свободный конец пластинок 6 также перемещается, пластинки изгибаются и на поверхностях пластин появляется заряд. Гибкий экранированный кабель 7 соединяет грани пьезопреобразователя с измерительной цепью.

Они выполняются из материалов, в которых может возникать пьезоэлектрический эффект. Пьезоэффект может быть прямым и обратным. Прямой пьезоэффект заключается в возникновении электрических зарядов на гранях пьезоэлектрика при воздействии на него механической силы, вызывающей напряжение в материале. При устранении силы заряды исчезают. Обратный пьезоэффект проявляется в том, что пьезоэлектрик, помещенный в электрическое поле, изменяет свои геометрические размеры.