Пьезоэлектрические преобразователи. 
Основы функционирования систем сервиса. В 2 ч. Часть 1

Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на пьезоэлектрическом эффекте, т. е. возникновении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллических диэлектриков под действием механических сил или деформаций. Пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880 г. Жаком и Пьером Кюри, заметившими, что в некоторых кристаллах при механическом воздействии на них появляется электрическая поляризация, причем степень ее пропорциональна величине воздействия.

При этом различают прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Прямой пьезоэлектрический эффект состоит в появлении электрических зарядов на гранях пьезоэлектриков при их сжатии или растяжении. При прекращении действия силы, приложенной к пьезоэлектрику, заряды на его гранях исчезают.

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении геометрических размеров пьезоэлектрика при введении его в электрическое поле. Особенностью пьезоэффекта является знакочувствительность, т. е. изменение знака заряда при смене сжатия растяжением и изменение знака деформации при изменении направления поля.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кристаллические вещества: кварц, турмалин, ниобат лития, сегнетова соль и др., а также искусственно создаваемые и специально поляризуемые в электрическом поле поликристаллические материалы (пьезокерамики): титанат бария, титанат свинца, цирконат свинца и др.

На рис. 10.8 схематически показано устройство пьезоэлектрического преобразователя, использующего прямой пьезоэффект.

Он представляет собой пластинку 1 (пьезоэлемент), изготовленную из пьезоэлектрического материала, на которой имеются два изолированных друг от друга электрода 2.

Электродвижущая сила, образующаяся на выходных электродах пьезоэлектрического преобразователя определяется по формуле.

где d — пьезоэлектрический модуль; F — приложенная сила; 8 — расстояние между электродами; е_у — относительная диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрического вещества; s₀ — диэлектрическая постоянная; S — площадь электродов.

Основные параметры пьезоэлектрических преобразователей:

• • чувствительность;
• • диапазон измерения;
• • коэффициент преобразования;
• • нелинейность;
• • диапазон температур.

Примеры обозначений пьезоэлектрических преобразователей: датчики давления 014МТ, ДПС 013; вибропреобразователь МВ-45; датчик вибраций ВД-ОЗА; датчики ускорения КД-35, КД-91.

Пьезоэлектрические преобразователи, использующие прямой пьезоэффект, широко используются для измерения статических и динамических усилий и давлений, линейных и вибрационных ускорений, массы, угловых скоростей, моментов, деформаций, параметров звуковых и ультразвуковых полей и др. Такие преобразователи нашли применение в гидроакустике, при борах неразрушающего контроля, электроакустике, акселерометрах, вискозиметрах, измерителях артериального давления и др. По разрешающей способности и точности эти устройства во многих случаях превосходят преобразователи, выполненные на других физических принципах.

Рис. 10.8. Пьезоэлектрический преобразователь:

1 — пьезоэлемент; 2 — электроды.