Преобразователи неэлектрических величин в электрические

Если из кристалла кварца вырезать параллелепипед таким образом, чтобы его грани а, b, с были параллельны электрической оптической и механической осям, то под влиянием сил, действующих перпендикулярно оптической оси, кристалл электризуется, причем заряды появляются на плоскостях, перпендикулярных электрической оси. При действии силы, направленной вдоль оптической оси, электризации кварца наблюдаться не будет.

Если на параллелепипед действует сжимающая сила F_x вдоль оси Х(продольный пьезоэффект —1), то вектор поляризации будет направлен по оси X. При этом интенсивность поляризации П будет пропорциональна деформации или в пределах упругих деформаций — давлению: П = d₁p_x = d_l(F_x/s_x), где d₁ — постоянный коэффициент, называемый пьезоэлектрической постоянной, или пьезоэлектрическим модулем; р_х, F_x — давление и сила, действующие на площадь грани bc; s_х-площадь грани bc. Тогда заряд q, возникающий на каждой из граней, перпендикулярных электрической оси X, согласно определению интенсивности поляризации можно рассчитать по формуле: q  = Пs_x, или q = d₁ F_x.

 

Уравнения показывают, что величина зарядов, возникающих на гранях bс, при действии силы, направленной вдоль электрической оси, не зависит от геометрических размеров кристалла. Заряды, появляющиеся на гранях bс при сжатии кварца силой, направленной вдоль электрической оси, будут иметь противоположные знаки по сравнению с зарядами, возникающими на них при растяжении.

Если сжимающая сила F_r, действующая на кварц, направлена вдоль механической оси (поперечный пьезоэффект — 2), то заряды также возникают только на гранях bс, перпендикулярных электрической оси, однако направление вектора поляризации будет противоположным по сравнению с его направлением при продольном пьезоэффекте. На рис. 16, а F_z—F_z — сжимающая сила, направленная вдоль оси Z—Z.

Значение пьезоэлектрической постоянной кварца

d₁ = 2,1*10^-12 Кл/Н = 2,1*10^-11 Кл/кг.

Пьезоэлектрическая постоянная кварца d₁ практически не зависит от температуры в диапазоне от 0 до 470...500 °С.

Титанат бария. Он используется в качестве пьезоэлектрика и выполняется в виде керамики. Однако для того чтобы керамика титаната бария получила пьезоэлектрические свойства, ее надо поляризовать, т.е. подвергнуть воздействию постоянного электрического поля напряженностью от 20 до 30 кВ/см в течение примерно трех часов. Поляризацию керамики титаната бария производят обычно в направлении оси Z (риc. 17). Необходимо учитывать изменение свойств керамики титаната бария во времени, т. е. его старение.

В течение двух лет он снижает свои полезные качества примерно на 20 %.

Если механическая сила F действует по оси поляризации П, то заряды возникают на гранях, перпендикулярных направлению поляризации. При этом пьезоэлектрический модуль d₁ = 107*10^-12 Кл/Н, т.е. он примерно в 50 раз больше, чем У кварца. Диэлектрическая проницаемость е = 1240*10^-11 Ф/м, т.е. она примерно в 350 раз больше, чем у кварца.

Пьезоэлементы из керамики титаната бария обладают высокой механической прочностью, и на ее свойства не влияет влага. На практике большое значение имеет зависимость параметров керамики титаната бария от температуры. При температурах примерно -80, +10 и +120 °С титанат бария переходит из одной кристаллической структуры в другую, следовательно при этих температурах параметры (свойства) титаната бария претерпевают резкие изменения. Поэтому пьезоэлектрическая постоянная мало изменяется лишь в сравнительно узком температурном диапазоне: от -80 до 0 °С и от 15 до 100 °С.

Несколько лучшими температурными свойствами обладает титанат бария с присадкой титаната кальция (СаТiO₃) или титаната свинца (PbTiO₃). Например, присадка к титанату бария 12%-го титаната свинца позволяет сдвинуть точку структурного перехода от 120 до 180 °С.

 

                                                                  

 

Рис.     16 Расположение осей симметрии в кристаллах кварца:

а — схема кристалла в изометрии; б — вид на кристалл сверху; 1 — продольный пьезоэффект; 2 — поперечный пьезоэффект

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 17 Поляризация

титаната  бария

 

 

 

 

 

 

                                           

 

Рис. 18 Схема устройства пьезоэлектрического преобразователя

Преобразователь состоит: из двух пьезопластинок 1, расположенных так, чтобы их обращенные друг к другу грани имели заряды одного знака; из металлической прокладки 2; основания 3; нажимного устройства 4; изолятора 5; вывода 6. Под действием измеряемой силы F пьезопластины будут сжаты и на выводе 6 появится отрицательный потенциал, а на основании 3 положительный; отрицательный потенциал подается на сетку усилительной лампы.

 

 

 

Пример использования  пьезоэлектрического преобразователя для измерения давления. Устройство пьезоэлектрического манометра для измерения давления в цилиндре двигателя внутреннего сгорания показано на рис. 19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 19 Пьезоэлектрический манометр для измерения давления в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания

 

Преобразователь ввёртывается в цилиндр как запальная  свеча. Газы через уплотнительную мембрану 1 давят на шток 2, который передаёт давление на пьезопластинки 3, разделённые металлической прокладкой 4. К прокладке 4 приварен изолированный вывод 5, вторым выводом служит корпус преобразователя 6. Пружина 7 поднимает пьезопластину, создавая постоянное давление. Это даёт возможность преобразователю реагировать не только на повышение давления перед мембраной 1, но и на разряжение в объёме испытываемого цилиндра. При разряжении давление пружины уменьшается, и разность потенциалов на выходе также уменьшается.

В рассмотренном  преобразователе предусмотрено  водяное охлаждение корпуса. Через трубку 9 и 10 вода подается в рубашку корпуса 8.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

 

1. Фремке А. В. , Душин Е. М. Электрические измерения. – Л.: Энергия, 1980.
2. Фарзане Н. Г. и др. Технологические измерения и приборы. – М.: Высшая школа, 1989.
3. Жарковский Б. И. Приборы автоматического контроля и регулирования. – М.: Высшая школа, 1989.
4. Сацукевич М. Ф. Измерительные приборы и их использование. – Минск.: Беларусь, I987.
5. Котур B. М. и др. Электрические измерения и электроизмерительные приборы. – М.: Энергоатомиздат, 1986.