Пьезоэлектрические датчики

Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на использовании прямого или обратного пьезоэлектрических эффектов. Прямой пьезоэффект заключается в способности некоторых материалов образовывать электрические заряды на поверхности при приложении механической нагрузки, обратный — в изменении механического напряжения или геометрических размеров образца материала под воздействием электрического поля.

В качестве пьезоэлектрических используют обычно естественные материалы — кварц и турмалин, а также искусственно поляризованную керамику на основе титаната бария (BaTiO₃), титаната свинца (PbTiO₃) и цирконата свинца (PbZrO₃). Можно использовать и другие материалы.

Количественно пьезоэффект оценивается пьезомодулем K_d, устанавливающим зависимость между возникающим зарядом Q и приложенной силой F:

Из пьезоматериалов наиболее распространен кварц, что объясняется его удовлетворительными пьезоэлектрическими свойствами, очень высоким сопротивлением, стойкостью к воздействиям температуры и влажности, высокой механической прочностью. Кварц имеет незначительный коэффициент линейного расширения, его пьезомодуль, равный 2,3 • 10^-12 Кл/Н, практически не зависит от температуры до 200 °С, в диапазоне 200...500 °С изменяется незначительно, а при 573 °С становится равным нулю; удельное электрическое сопротивление кварца порядка 10¹⁶ Ом/м; модуль упругости кварца Е= 7,7 • 10¹⁰ Па.

Пьезокерамика представляет собой продукт отжига спрессованной смеси, содержащей мелко раздробленные сегнетоэлектрические кристаллы. Характерным отличием сегнетоэлектриков является их доменная структура с хаотически ориентированными полярными направлениями доменов. Пьезоэлектрические свойства сегнетоэлектрическая пьезокерамика приобретает после поляризации в электрическом поле.

Механическая прочность пьезокерамики очень высока, но зависит от технологии и качества обработки соприкасающихся плоскостей. Пьезомодуль, диэлектрическая проницаемость и их стабильность зависят от выбора направления поляризации, направления действия силы F исъема заряда Q.

Пьезокерамика на основе ниобата свинца (НБС) и цирконататитаната свинца (ЦТС) более стабильна, чем на основе титаната бария, однако уступает в чувствительности. Так, пьезокерамика на основе титаната бария имеет точку Кюри 120 °С при пьезомодуле порядка 100 • 10¹² Кл/Н, а пьезокерамика ЦТС-19 — точку Кюри 290 °С и в два раза более высокое значение пьезомодуля.

Все природные пьезоматериалы имеют кристаллическую структуру, которая определяет свойства пьезопреобразователей. Так, кварц имеет кристаллическую структуру, в которой можно выделить шестигранную призму. По отношению к ней в кристалле выделяют три типа осей: продольную, или оптическую ось Z, электрические оси X, проходящие через ребра призмы кристалла нормально к оптической оси (три) и механические, или нейтральные, оси Y, нормальные к граням кристалла (их также три). Пьезочувствительный элемент обычно вырезают из кристалла кварца в виде пластины (параллелепипеда), стороны которой параллельны осям кристалла (рис. 5.15, а).

В ненапряженном состоянии в пластине все заряды скомпенсированы, и она является электрически нейтральной. Если к пластине кварца вдоль оси X приложена сила F, то на ее гранях, перпендикулярных к оси X, возникают разнополярные электрические заряды Q. Значения этих зарядов в пределах упругих деформаций находятся в линейной зависимости от приложенной силы в соответствии с выражением (5.14). Такой пьезоэффект называется продольным. Значения зарядов не зависят от геометрических размеров пластины, а определяются лишь силой F.

Если пластину подвергнуть сжатию по оси Y, то на тех же гранях вновь появятся заряды, но теперь уже противоположного знака (поперечный пьезоэффект). Значение заряда при поперечном пьзоэффекте

где a, b — размеры пьезоэлемента соответственно в направлении осей X и Y.

В зависимости от направления действия силы F (сжатие или растяжение) знаки зарядов на гранях пластины будут меняться.

При приложении силы F вдоль оси Z пьезоэффект не наблюдается. Пластина кварца остается также электрически нейтральной при равномерном воздействии на нее со всех сторон (например, при гидростатическом сжатии).

Турмалин (в отличие от кварца) имеет не две, а одну пьезочувствительную плоскость, перпендикулярную к оптической оси Z. Благодаря этой особенности турмалин можно применять для измерения всестороннего давления, что делает его незаменимым при измерении давления жидкостей.

Пьезоэлектрический преобразователь давления представляет собой пластину из пьезоматериала. На две ее грани нанесены электроды, с которых снимается заряд или напряжение. Напряжение на обкладках при отсутствии нагрузки

где C _п — емкость пьезоэлектрического элемента преобразователя, C _п = ε S_x / a; ε— диэлектрическая постоянная материала пластины; S_x = hb — площадь грани, перпендикулярной к оси X; а — толщина пластины.

Для увеличения сигнала, поступающего с преобразователя, часто пластины-шайбы из пьезокерамики компонуют в столбик (рис. 5.15, б).

Наряду с преобразователями, в которых пьезоэлемент работает на сжатие-растяжение, применяются конструкции, в которых элемент работает на изгиб и сдвиг (рис. 5.16). Преобразователь, работающий на изгиб, представляет собой две одинаковые пластины, склеенные между собой. Между ними располагается металлическая фольга. При изгибе такого элемента одна пластина удлиняется, а другая укорачивается. В зависимости от схемы подключения обкладок можно получить либо сумму напряжений (см. рис. 5.16, а), либо сумму зарядов (см. рис. 5.16, б). Преобразователи, работающие на изгиб, более чувствительны по сравнению с преобразователями, работающими на сжатие. В то же время они уступают последним по прочности и диапазону частот.

Преобразователь, работающий на сдвиг, представляет собой кольцо из керамики 1 (см. рис. 5.16, в), в которое вклеен внутренний электрод 3 и которое само вклеено во внешний электрод 2. Под действием силы F происходит деформация сдвига плоскостей, параллельных направлению поляризации. Достоинством такого преобразователя является отсутствие зарядов на электродах при боковых воздействиях на датчик.

Нагрузка, подключаемая к выходу преобразователя, характеризуется сопротивлением R_H и емкостью С_н, зависящей от емкости соединительных проводов, входной емкости усилителя и т. д.

В случае использования кварцевых преобразователей C _п << C _н, а при использовании пьезокерамики емкость пьезоэлемента часто сравнима с емкостью нагрузки и даже превышает ее. Эквивалентная схема преобразователя с нагрузкой представлена на рис. 5.17.

Чувствительность пьезоэлектрического преобразователя K_s = dU_вых / dF=K_d/(C_П+C_H).

Для повышения чувствительности преобразователь выполняют из n пластин, располагая их столбиком и соединяя параллельно (см. рис. 5.15, б). В этом случае

или

где K_s’ = K_d/(C_П + C_H / n) > K_s.

Напряжение на выходе преобразователя сравнительно мало, поэтому обычно требуется его усилить.

Погрешность пьезоэлектрических преобразователей складывается прежде всего из погрешностей от изменения параметров измерительной цепи (емкости C _н), температурной погрешности, вызываемой изменением пьезоэлектрического модуля, погрешности вследствие неправильной установки пластин, погрешности из-за чувствительности к силам, действующим перпендикулярно к измерительной оси преобразователя, и частотной погрешности.

Верхняя граница допустимого частотного диапазона определяется в основном механическими параметрами преобразователя. Пьезоэлектрические преобразователи могут быть выполнены с частотой собственных колебаний f ₀ = 100 кГц, что позволяет измерять механические величины, изменяющиеся с частотой до 7... 10 кГц, причем они являются безынерционным звеном.

К достоинствам пьезоэлектрических преобразователей необходимо отнести простоту конструкции, малые размеры и стоимость, высокую надежность, возможность измерения быстропеременных величин, к недостаткам — невысокую чувствительность, непригодность к измерению статических величин, высокое входное сопротивление измерительной цепи, относительно невысокий уровень выходного сигнала, т.е. необходимость промежуточных усилителей.

Дата добавления: 2015-07-14