1. Принцип действия

Работа пьезоэлектрического датчика основана на физическом явлении, которое называется пьезоэлектрическим эффектом. Этот эффект проявляется в некоторых кристаллах в виде появления на их гранях электрических зарядов разных знаков при сжатии кристалла в определенном направлении. Слово «пьезо» по-гречески означает «давлю». В зависимости от значения силы сжатия (или растяжения) меняется количество зарядов, а следовательно, и разность потенциалов, замеренная между гранями. Пьезоэлектрические датчики относятся к генераторному типу.

Широко известны пьезоэлектрические звукосниматели: игла звукоснимателя воспринимает все изменения глубины звуковой дорожки и передает их на пьезокристалл. Выходное напряжение с пьезокристалла усиливается, и через динамик мы слышим записанные звуки. Появление зарядов на гранях в зависимости от сжатия называется прямым пьезоэффектом. Существует и обратный пъезоэффект: при подаче напряжения на грани кристалла изменяются его размеры (он сжимается или разжимается). Обратный пьезоэффект нашел применение в ультразвуковых генераторах. А основанные на прямом пьезоэффекте пьезоэлектрические датчики используются в автоматике для измерения давлений, вибраций, ускорений, других параметров быстропротекающих процессов.

Рассмотрим появление зарядов на гранях кристалла кварца, у которого пьезоэлектрический эффект достаточно сильно выражен. На рис. 1 изображен кристалл кварца, который имеет вид шестигранной призмы. В кристалле можно выделить три оси симметрии: Z — продольная ось, называемая оптической осью; X — поперечная ось, проходящая через ребра призмы перпендикулярно продольной оси; Y — поперечная ось, проходящая через грани призмы перпендикулярно им и осям Z, X. Ось X называется электрической осью, ось Y — механической, или нейтральной.

Рис. 1. Кристалл кварца и его оси симметрии

Вырежем из кристалла кварца параллелепипед таким образом, чтобы его грани были перпендикулярны осям X, Y, Z, и рассмотрим появление зарядов на его гранях под действием сил, ориентированных по осям X, Y, Z, т. е. нормально к плоскостям граней. Под действием силы F_x вдоль электрической оси X на каждой из граней параллелепипеда, перпендикулярной оси X, появляются электрические заряды. Величина зарядов не зависит от геометрических размеров кристалла, а определяется силой F_x:

(1)

где К₀ — пьезоэлектрическая постоянная материала, или пьезоэлектрический модуль. Знак зарядов (полярность) зависит от направления силы по оси X (сила сжатия или сила растяжения).

Под действием силы растяжения F_Y вдоль механической оси Y возникают заряды на тех же гранях, что и при действии силы F_x (т. е. на гранях, перпендикулярных оси X), но знак заряда будет тот же, что при действии силы сжатия F_x. Соответственно сила сжатия F_Y приводит к появлению зарядов на тех же гранях и того же знака, что сила растяжения F_x. Величина зарядов под действием сил F_Y зависит от геометрических размеров кристалла b и с (рис. 1) и пропорциональна силе:

(2)

Коэффициент K₀ в формулах (1) и (2) один и тот же. Знак минус означает, что полярность заряда от сил сжатия по осям X и Y противоположна. Появление зарядов под влиянием силы F_x называется продольным пьезоэффектом, а под влиянием силы F_Y — поперечным пьезоэффектом. Сжатие или растяжение по оси Z не вызывает появления зарядов на гранях. Появляющиеся на гранях пьезоэлемента под действием сил F_x и F_Y электрические заряды исчезают, как только прекращается действие силы. Кроме того, даже если сила приложена постоянно, заряды стекают через воздух или изоляцию. Поэтому пьезоэлектрические датчики используют лишь для измерения динамических процессов, когда под действием переменных сил заряды на гранях все время восполняются. В пьезоэлектрических датчиках получили применение кроме кварца сегнетова соль и титанат бария. Свойства кристаллов этих материалов, имеющие значение для изготовления пьезодатчиков, приведены в табл. 1.

Таблица 1. Свойства пьезоэлектрических кристаллов

Пьезоэлектрический модуль кварца сравнительно невысок. Но его главное достоинство — низкая стоимость. Ведь кварц — это один из самых распространенных породообразующих минералов, его состав (SiO₂) тот же, что и у обычного песка. Кварц также имеет большую механическую прочность, хорошие изоляционные свойства, незначительную зависимость параметров от температуры.

Наиболее ярко пьезоэлектрический эффект выражен в кристаллах сегнетовой соли: при одной и той же силе появляется в тысячу раз большее количество электричества, чем у кварца. Однако эти заряды довольно быстро стекают из-за малого удельного сопротивления. Свойства сегнетовой соли изменяются в зависимости от температуры и влажности. Поэтому пьезоэлементы из сегнетовой соли применяются для измерения быстропеременных сил и давлений при малой влажности и нешироком диапазоне изменения температуры окружающей среды.

Титанат бария имеет и большое значение пьезоэлектрического модуля (на два порядка выше, чем у кварца), и высокую механическую прочность, и независимость параметров от изменения влажности. Его недостаток — старение, со временем он теряет свои свойства (примерно на 10 % за год).