Принцип действия. Прямой пьезоэлектрический эффект (далее – пьезоэффект) состоит в появлении электрических зарядов на гранях некоторых диэлектриков под влиянием механических

Прямой пьезоэлектрический эффект (далее – пьезоэффект) состоит в появлении электрических зарядов на гранях некоторых диэлектриков под влиянием механических напряжений. При снятии напряжений диэлектрик приходит в исходное состояние. Такие диэлектрики называют пьезоэлектриками.

В качестве пьезоэлектриков применяются кварц, титанат бария, сегнетова соль и др. Наибольшее применение для измерений нашёл кварц, у которого пьезоэлектрические свойства сочетаются с высокой механической прочностью.

В кристаллах кварца различают три главных оси (рис. 3.18): продольную оптическую ось Z – Z; электрические оси Х – Х, проходящие через рёбра шестигранной призмы нормально к оптической оси; нейтральные или механические оси Y – Y.

Рис. 3.18. Оси симметрии кристалла кварца

Если из кристалла кварца вырезать параллелепипед таким образом, чтобы его грани были параллельны электрической, механической и оптической осям, то под влиянием сил F_X и F_Y, действующих перпендикулярно оптической оси, на плоскостях, перпендикулярных электрической оси, появятся заряды. При действии силы F_Z электризации кварца не происходит.

Если на параллелепипед действует растягивающая сила F_X, то на каждой из граней bc (b и с – рёбра параллелепипеда), перпендикулярных электрической оси Х, появятся заряды. Значение заряда не зависит от геометрических размеров кристалла:

Q = kF_X,

где k = 2,31·10^-12 – пьезоэлектрический модуль кварца.

При сжатии кристалла силой F_X заряды имеют противоположный знак.

Пьезоэффект, возникающий при действии силы, направленной вдоль электрической оси, называется продольным пьезоэффектом.

Если растягивающая сила F_Y направлена вдоль механической оси Y, то заряды тоже возникают только на гранях, перпендикулярных электрической оси Х, но знак будет обратным по сравнению со случаем приложения растягивающей силы F_X вдоль оси Х и значение заряда зависит от геометрических размеров кристалла:

,

где a и b – длина рёбер параллелепипеда.

Отношение b/a иногда увеличивают для повышения чувствительности преобразователя.

Пьезоэффект, возникающий при действии силы, направленной вдоль механической оси, называется поперечным пьезоэффектом.

Заряд, возникающий на гранях пьезоэлемента, сохраняется лишь при отсутствии утечки, т.е при бесконечно большом входном сопротивлении измерительной цепи. Поскольку это условие невыполнимо, для статических измерений пьезоэлектрические преобразователи не используются, они применяются только для измерения динамических величин. При действии переменной силы количество электричества всё время восполняется и становится возможным потребления некоторого тока измерительной цепью.