Пьезоэлектрические преобразователи давления

Действие пьезоэлектрических преобразователей основано на свойст- ве некоторых кристаллических веществ создавать электрические заряды под действием механической силы. Это явление, называемое пьезоэффек- том, характерно для кристаллов кварца, турмалина, сегнетовой соли, тита- ната бария и некоторых других веществ. Особенностью пьезоэффекта яв- ляется его безынерционность. Заряды возникают мгновенно в момент при- ложения силы. Это обстоятельство делает пьезоэлектрические приборы не- заменимыми при измерении и исследовании быстропротекающих

процессов, связанных с изменением давления (индицирование быстроходных двигателей, изучение явлений кавитации, взрывных реакций и т.п.).

Для изготовления пьезоэлектрических датчиков наиболее широко применяют кварц, сочетающий хорошие пьезоэлектрические свойства с большой механической прочностью, высокими изоляционными свойства- ми и независимостью пьезоэлектрической характеристики в широких пре- делах от изменения температуры.

Элементарной структурной ячейкой является шестигранная призма

(рис. 3.13).

Рис. 3.13. Схема кристалла кварца

В кристаллах кварца различают продольную ось ZZ, называемую оп- тической осью, ось XX, проходящую через ребра призмы (электрическую ось), и ось YY, проходящую через середины противолежащих граней (ме- ханическая или нейтральная). Если из кристалла кварца вырезать паралле- лепипед так, чтобы его грани были расположены перпендикулярно осям YY и XX, то он будет обладать пьезоэлектрическими свойствами. Силы, приложенные к параллелепипеду в направлении оси ZZ, не вызывают элек- тризации, а растягивающая или сжимающая силы Fx, приложенные в на- правлении электрической оси, вызывают появление разноименных зарядов на гранях, перпендикулярных к этой оси (продольный пьезоэффект). Заряд, возникающий на гранях, равен:

qx = kFx = k·Px·Sx, (3.6) где Px и Fx - давление и сила, действующие на грань; Sx - площадь грани; k - постоянная величина, так называемый, пьезоэлектрический модуль.

Пьезоэлектрическая постоянная кварца практически не зависит от температуры до 500°С. При температуре выше 500°С она быстро уменьша- ется и при температуре 570°С становится равной нулю, т. е. кварц теряет

пьезоэлектрические свойства. Пьезоэлектрические приборы позволяют из-

мерять давление до 100МПа;