Пьезоэлектрические датчики

Действие пьезоэлектрических датчиков основано на исполь­зовании пьезоэлектрического эффекта (пьезоэффекта), заключаю­щегося в том, что при сжатии или растяжении некоторых кристал­лов на их гранях появляется электрический заряд, величена которого пропорциональна действующей силе: q =d₁F₁ где q — электрический заряд, Кл/м²; d₁ — пьезоэлектрическая постоянная, Кл/Н; F—сила, приложенная к кристаллу, Н.

Пьезоэффект обратим, т. е. приложенное электрическое напряжение вызывает деформацию пьезоэлектрического образца — сжатие или растяжение его соответственно знаку приложенного напряжения. Это явление, называемое обратным пьезоэффектом используется для возбуждения и приема акустических колебаний звуковой и ультразвуковой частоты.

Датчики, в основе действия которых лежит прямой пьезоэффект, используют для измерения переменных механических усилий. Заряд возникающий на гранях пьезоэлемента под действием внешних сил, очень мал и сохраняется лишь при отсутствии утечки, т.е. при бесконечно большом входном сопротивлений измерительной цепи. Поскольку это практически невыполнимо, то необходимо заряд постоянно восполнять, что возможно при воздействии переменных сил. Поэтому пьезоэлектрические: пре­образователи применяют только для измерения быстроменяющихся величин: давлений во взрывных процессах, в двигателях внутрен­него сгорания, звуковых колебаний, вибрационных ускорений и т. п.

Пьезоэффектом обладают диэлектрические кристаллы — кварц;

турмалин, сегнетовая соль, титанат бария и др. Наибольшее распространение получил кварц, так как он при наличии сильно выраженного пьезоэффекта одновременно имеет высокую ме­ханическую прочность, отличается высокими изоляционными свойствами, кроме того, его свойства мало зависят от темпера­туры.

В кристалле кварца, представляющем собой шестигранную призму (рис. 45), различают три главные оси: оптическую z—z, электрические x—х и механические у—у. Если из кристалла кварца вырезать соответствующим образом ориентированный по отношению к осям кристалла параллелепипед, то при приложе­нии сил Fx и Fy, действующих перпендикулярно оптической

Рис. 45, Оса симметрии кристалла кварца

оси, на гранях b и с возникают заряды, не зависящие от геометрических размеров параллелепипеда.

Пьезоэффект, возникающий под действием сил Fx вдоль электрической оси, называется продольным пьезоэффектом, а пьезоэффект, воз-никающий при действии сил Fу, направленных вдоль механической оси, — поперечным пьезоэффектом. При действии силы Fz, вдоль оптической оси пьезоэффект не наблюдается.

Для изготовления пьезодатчиков из кристаллов вырезают пластинки, ориентированные обычно вдоль электрической оси, т. е. с про­дольным пъезоэффектом

Рис. 7. Конструкция пьезоэлектрического датчика

---

Пьезодатчик в простейшем исполнении (рис. 46) состоит из двух пьезопластин , между которыми расположен металлический электрод 2, имеющий Изолированный вывод 3. Внешние стороны пьезопластин электрически соединены с корпусом 4. Толщина применяемых кварцевых пластин около 4 мм. При этой толщине частота собственных колебаний пластин составляет примерно 600 кГц, что определяет- очень высокие динамические свойства кварцевых пьезодатчиков.

Измеряемое усилие F действует на пластины, расположенные так, что на их внутренних гранях, соприкасающихся с металли­ческим электродом, возникают одноименные отрицательные за­ряды, а на внешних — положительные. Заряд с электрода 2 подается к измерительному прибору.

Напряжение на датчике, обусловленное действием силы

определяется выражением:

где С — емкость датчика;

С₀ — емкость измерительной схемы; d₁— пьезоэлектрическая по­стоянная (для кварца d₁ = 2,310¹² Кл/Н). Напряжение на выходе датчика имеет сравнительно малую величину, поэтому обычно требуется его дальнейшее усиление.

Чувствительность датчика определяется зарядом, возникаю­щим на пьезоэлементе при изменении усилия на 1 Н/см²;

Для увеличения чувствительности датчика его составляют из нескольких пластин, располагая их столбиком таким образом, что механически они оказываются включенными последовательно, а электрически — параллельно.

К преимуществам пьезодатчиков следует отнести малые раз­меры, простоту устройства, надежность в работе, возможность измерения быстропеременных величин, а к недостаткам — невы­сокую чувствительность, непригодность к измерению статичес­ких величин, зависимость пьезоэлектрической постоянной d₁ от температуры.

---

Смотрите также файлы

• ПЬЕЗОЭФФЕКТ.doc

• КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ.doc

• Клас Дат(ТЕКСТ).doc

• Плакат(ЭКОНОМ).doc

• 5,4.doc