ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.05.2020
Просмотров: 114
Скачиваний: 3
. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
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 =d1F1
где q электрический заряд, Кл/м2;
d1 пьезоэлектрическая постоянная, Кл/Н;
F сила, приложенная к кристаллу, Н.
Пьезоэффект обратим, то есть приложенное электрическое напряжение вызывает деформацию пьезоэлектрического образца, то есть 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, то есть 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 тому подобное.
Пьезоэффектом обладают диэлектрические кристаллы кварц, турмалин, сегнетовая соль, титанат бария и другие. 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, показанную на рисунке , различают три главные оси: оптическую zz, электрические xх и механические уу. Если из кристалла кварца вырезать соответствующим образом ориентированный по отношению к осям кристалла параллелепипед, то при приложении сил Fx и Fy, действующих перпендикулярно оптической оси, на гранях b и с возникают заряды, не зависящие от геометрических размеров параллелепипеда.
Рисунок Кристалл кварца с осями симметрии.
Пьезоэффект, возникающий под действием сил Fx вдоль электрической оси, называется продольным пьезоэффектом, а пьезоэффект, возникающий 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, то есть с продольным пъезоэффектом
Пьезодатчик в простейшем исполнении показан на рисунке , он состоит из двух пьезопластин 1, 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.
Рисунок Конструкция пьезоэлектрического датчика
Измеряемое усилие F действует на пластины, расположенные так, что на их внутренних гранях, соприкасающихся с металлическим электродом, возникают отрицательные одноименные 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 = 2,31012 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.