Практикум по метрологии, стандартизации и сертификации: Учебное пособие /А. А климов, А. С. Тюриков/ Красноярск, 2008. 149 с

Пьезоэлектрические преобразователи. Такие преобразователи осно­ваны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, за­ключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности не­которых кристаллов (кварца, турмалина, сегнетовой соли и др.) под влиянием механических напряжений.
Пьезоэлектрическим эффектом об­ладают также некоторые поляризованные керамические материалы (титанат бария, цирконат-титанат свинца).
Если из кристалла кварца вырезать пластинку в форме параллелепипеда с гранями, расположенными перпендикулярно оптической 0z, механической 0у и электрической Ох осям кристалла (рис.16.3), то при воздействии на пла­стинку усилия F_x, направленного вдоль электрической оси, на гранях х по­являются заряды , где К_П - пьезоэлектрический коэффициент (мо­дуль).


Пластина из кристалла кварца

Рис.16.3


При воздействии на пластину усилия F_y вдоль механической оси, на тех же гранях х возникают за­ряды , где а и b - размеры граней пластины.
Механическое воздействие на пластину вдоль оптической оси появления зарядов не вызывает.
Пьезоэлектрический эффект является знакопеременным, так, при изменении направления прилагаемого усилия, знаки зарядов на поверх­ности граней меняются на противоположные.
Материалы сохраняют свои пьезоэлектрические свойства только при температурах ниже точки Кюри.
Изготовление преобразователей из пьезокерамики значительно проще, чем из монокристаллов.
Керамические датчики производят по технологии, обычной для радиокерамических изделий - путем прессо­вания или литья под давлением.
На керамику наносятся электроды и к электродам привариваются выводы.
Для поляризации керамические из­делия помещают в сильное электрическое поле, после чего они приобре­тают свойства пьезоэлектриков.
Электродвижущая сила, возникающая на электродах пьезоэлек­трического преобразователя, довольно значительна - единицы вольт. Однако изме­рить ЭДС трудно, поскольку заряд мал и быстро стекает через входное сопротивление вольтметра.
Если же сила переменна и при этом период изменения силы много меньше постоянной времени разряда, определяе­мой емкостью преобразователя и сопротивлением утечки, то процесс утечки почти не влияет на выходное напряжение преобразователя.
При изменении силы по закону F = F_msin ωt , ЭДС также изменяется синусои­дально.
Таким образом, измерение неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в переменную силу, действующую на пьезоэлек­трический преобразователь, сводится к измерению переменного напря­жения или ЭДС.
Пьезоэлектрические измерительные преобразователи находят широ­кое применение для измерения линейного и виб­рационного ускорения, удара и акустических сигналов. Эквивалентная схема пред­ставлена на рис.16.4, в виде генератора с внутренней емкостью С.


Схема и устройство пьезоэлектрического датчика

Рис.16.4

По­скольку мощность такого пьезоэлемента чрезвычайно мала, то для из­мерения выходного напряжения необходимо применять приборы с большим входным сопротивлением (10¹¹... 10¹⁵Ом).
Для увеличения полезного сигнала пьезодатчики выполняются из не­скольких, последовательно соединенных пьезоэлементов.
Устройство пьезоэлектрического датчика для измерения вибрацион­ного ускорения показано на рис.16.4, б.
Пьезоэлемент (обычно из пьезокерамики), нагруженный известной массой т, помещен в корпус 1 и через выводы 2 включен в цепь электронного милливольтметра V.
Подставив в формулу для возникающего на гранях заряда выражение