Пьезоэффект прямой и обратный кратко

Обновлено: 01.07.2024

Какие ассоциации у вас возникают при слове пьезоэлемент? Зажигалка или электроподжиг. На самом деле пьезоэффект используется в гораздо больших областях. В этой статье я расскажу вам, что вообще такое пьезоэффект и где его активно применяют. Итак, начнем.

История открытия

Данный эффект был открыт еще в 1880 году братьями Кюри. В результате проведенных экспериментов ими было установлено, что при сжатии либо растяжении отдельных кристаллов естественного происхождения на их гранях формируется электрические заряды.

Как и в каких кристаллах работает этот эффект

Как оказалось данным эффектом наделены кристаллы как естественного происхождения (турмалин, кварц и т.п.), так и искусственно выращенные. Причем список таких кристаллов пополняется с завидной постоянностью.

Если такой кристалл начать растягивать или сжимать в определенной плоскости, то на гранях образуется электрический заряд с небольшой разностью потенциалов.

Если же на эти грани подключить проводники, то в момент сжатия или растяжения по ним пройдет небольшой электрический импульс. Это и есть проявление Пьезоэффекта. Если же оказывать постоянное давление, то никакого образования электроимпульса не наблюдается.

При этом такие кристаллы обладают просто отличной упругостью. Если снять деформирующее воздействия, то кристалл возвращается в свое первоначальное положение без всяких инерционных колебаний.

Если на кристалл уже находящийся под давлением приложить еще большее усилие или же его полностью снять, то он сразу же отреагирует электрическим импульсом.

Правда на момент открытия эффекта сила тока от колеблющегося кристалла была ничтожна и это было основным препятствием в активном использовании открытия на практике. Но с приходом современных технологий когда ток можно усилить в сотни раз, проблема была устранена и пьезоэлементы стали активно применяться.

Примечание. На данный момент уже открыты элементы, пьезоэффект у которых проявляется достаточно сильно.

Где и как используются пьезоэлементы

Данные кристаллы стали активно использоваться в ультразвуковой дефектоскопии (обнаружение дефектов в разнообразных металлических изделиях).

В электромеханических преобразователях для стабилизации частот, в фильтрах многоканальной связи, во всевозможных датчиках фиксации давления и усиления, в адаптерах и т. п. На самом деле список где используются пьезоэлементы в той или иной степени можно продолжать очень долго.

Физические свойства пьезоэффекта

В ходе исследований было установлено, что пьезоэлектрический эффект присущ кварцу, турмалину и другим кристаллам естественного и искусственного происхождения. Перечень таких материалов постоянно растет. Если любой из этих кристаллов сжать или растянуть в определенном направлении, на отдельных гранях появятся электрические заряды с положительным и отрицательным значением. Разность потенциалов таких зарядов будет незначительной.

Для того чтобы понять природу пьезоэффекта, необходимо соединить электроды между собой и разместить их на гранях кристалла. При кратковременном сжатии или растяжении в цепи, образованной электродами, можно заметить образование короткого электрического импульса. Именно он является электрическим и физическим проявлением пьезоэффекта. Если же кристалл испытывает постоянное давление, в этом случае импульс не появится. Данное свойство кристаллических материалов широко используется при изготовлении точных чувствительных приборов.

Одним из качеств пьезоэлектрических кристаллов является их высокая упругость. По окончании действия деформирующего усилия, эти материалы без всякой инерции принимают свою изначальную форму и объем. Если же прикладывается новое усилие или изменяется приложенное ранее, в этом случае мгновенно образуется еще один токовый импульс. Данное свойство, известное как прямой и обратный пьезоэффект, успешно используется в устройствах, регистрирующих совсем слабые механические колебания.

В самом начале открытия пьезоэффекта решение такой задачи было невозможно из-за слишком незначительной силы тока в колеблющейся кристаллической цепи. В современных условиях ток может быть усилен многократно, а некоторые виды кристаллов имеют довольно высокий пьезоэффект. Ток, полученный от них, не требует дополнительного усиления и свободно передается по проводам на значительные расстояния.

Прямой и обратный пьезоэффект

Все кристаллы, рассмотренные выше, обладают качествами прямого и обратного пьезоэффекта. Данное свойство одновременно присутствует во всех подобных материалах – с моно- и поликристаллической структурой. Обязательным условием является их предварительная поляризация в процессе кристаллизации воздействием сильного электрического поля.

Для того чтобы понять, как действует прямой пьезоэффект, необходимо кристалл или керамический материал расположить между металлическими пластинами. Генерация электрического заряда происходит в результате приложенного механического усилия – сжатия или растяжения.

Величина полной энергии, полученной от внешней механической силы, составит сумму энергий упругой деформации и заряда емкости элемента. Поскольку пьезоэлектрический эффект носит обратимый характер, возникает специфическая реакция. Прямой пьезоэффект приводит к возникновению электрического напряжения, которое в свою очередь, под влиянием обратного эффекта вызывает деформацию и механические напряжения, оказывающие противодействие внешним силам. За счет этого жесткость элемента будет увеличиваться. В случае отсутствия электрического напряжения, обратный пьезоэффект тоже будет отсутствовать, а жесткость пьезоэлемента уменьшится.

Таким образом, обратный пьезоэлектрический эффект заключается в механической деформации материала – расширении или сжатии под действием приложенного к нему напряжения. Данные элементы выполняют функцию своеобразного мини-аккумулятора и применяются в гидролокаторах, микрофонах, датчиках давления, других чувствительных приборах и устройствах. Свойства обратного эффекта широко используются в миниатюрных акустических устройствах мобильных телефонов, в гидроакустических и медицинских ультразвуковых датчиках.

Виды пьезоэлектрических материалов

Основным свойством таких материалов является возможность получения электроэнергии за счет сжатия или растяжения, то есть, деформации.

Все материалы, используемые на практике, классифицируются следующим образом:

Кристаллы. Включают в себя кварц и другие виды природных образований.
Керамические изделия. Представляют собой группу искусственных материалов. Типичными представителями являются цирконат-титанат свинца – ЦТС, а также титанат бария и ниобат лития. Они обладают более ярким пьезоэлектрическим эффектом по сравнению с природными материалами.

Если сравнивать ЦТС и кварц, становится заметно, что при одной и той же деформации, искусственный элемент вырабатывает более высокое напряжение. Когда на него влияет обратный пьезоэлектрический эффект он соответственно сильнее деформируется, когда к нему приложено такое же напряжение, как и к кварцу. Благодаря своим качествам, искусственные материалы получили широкое распространение в конструкциях керамических конденсаторов, ультразвуковых преобразователей и прочих электронных устройств.

Использование пьезоэффекта на практике

Пьезоэлектрические свойства кристаллов и материалов искусственного происхождения успешно применяются в различных областях. В качестве примеров можно привести ультразвуковую дефектоскопию, позволяющую выявлять дефекты внутри металлических конструкций, электромеханические преобразователи, стабилизирующие радиочастоты, различные датчики и другие приборы.

В электротехнике широко используется обратный пьезоэлектрический эффект, связанный с деформацией кристалла под действием приложенного напряжения. В случае наложения на кристалл электрических колебаний с частотой звука, в нем возникнут колебания такой же частоты с выделением в окружающее пространство звуковых волн. Таким образом, один и тот же кристалл может быть использован не только как микрофон, но и как динамик.

Все пьезоэлектрики имеют собственную частоту механических колебаний. Они проявляются с наибольшей силой, когда совпадают с частотой подведенного напряжения. Подобное наложение колебаний известно, как электромеханический резонанс. Данное свойство позволило создать различные виды пьезоэлектрических стабилизаторов, поддерживающих постоянную частоту в генераторах незатухающих колебаний.

Точно такая же реакция наблюдается при действии механических колебаний с частотой, совпадающей с собственными колебаниями кристалла. Подобный эффект и его применение позволил создать акустические приборы, способные выделять из всей массы звуков лишь необходимые для конкретных целей.

При изготовлении приборов и устройств цельные кристаллы не используются. Они распиливаются на пластинки, имеющие строгую ориентацию с их кристаллографическими осями. Пластинки изготавливаются определенной толщины, в зависимости от того, какую резонансную частоту колебаний нужно получить. Они соединяются с металлическими слоями, и в результате происходит рождение готового пьезоэлемента.

Пьезоэлектрики, пьезоэлектричество - физика явления, виды, свойства и применение

Пьезоэлектрики — это диэлектрики, обладающие ярко выраженным пьезоэлектрическим эффектом.

Явление пьезоэлектричества было обнаружено и изучено в 1880 - 1881 гг. известными французскими физиками Пьером и Поль-Жаком Кюри.

После этого изучением пьезоэлектрических свойств кварца и некоторых других кристаллов и их практическими приложениями заинтересовался ряд физиков. Среди многих их работ было несколько, весьма важных применений.

Так, например, в 1915 г. С. Баттерворс показал, что кварцевая пластинка как одномерная механическая система, получающая возбуждение вследствие взаимодействия между электрическим полем и электрическими зарядами, может быть представлена как эквивалентная электрическая схема из последовательно включенных емкости, индуктивности и резистора.

Представив кварцевую пластинку как колебательный контур, Баттерворс впервые предложил эквивалентную схему кварцевого резонатора, которая легла в основу всех дальнейших теоретических работ по кварцевым резонаторам.

Пьезоэлектрический эффект бывает прямым и обратным. Для прямого пьезоэффекта характерна электрическая поляризация диэлектрика, наступающая вследствие действия на него внешнего механического напряжения, при этом индуцируемый на поверхности диэлектрика заряд оказывается пропорционален приложенному механическому напряжению:

При обратном пьезоэффекте явление проявляет себя наоборот - диэлектрик изменяет свои размеры под действием приложенного к нему внешнего электрического поля, при этом величина механической деформации (относительная деформация) будет пропорциональна напряженности приложенного к образцу электрического поля:

Коэффициентом пропорциональности и в том и в другом случае выступает пьезомодуль d. Для одного и того же пьезоэлектрика пьезомодули для прямого (dпр) и обратного (dобр) пьезоэффекта равны между собой. Таким образом, пьезоэлектрики — это своеобразные обратимые электромеханические преобразователи.

Продольный и поперечный пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект, в зависимости от вида образца, может быть продольным или поперечным. В случае с продольным пьезоэлектрическим эффектом, заряды в ответ на деформацию или деформация в ответ на действие внешним электрическим полем, возникают в том же направлении, что и инициирующее воздействие. При поперечном пьезоэлектрическом эффекте возникновение зарядов или направление деформации окажутся перпендикулярны направлению вызывающего их воздействия.

Если на пьезоэлектрик начать действовать переменным электрическим полем, то в нем возникнет той же частоты переменная деформация. Если пьезоэффект продольный, то деформации будут носить характер сжатия и растяжения по направлению приложенного электрического поля, а если поперечный, то станут наблюдаться поперечные волны.

Если частоту приложенного переменного электрического поля сделать равной резонансной частоте пьезоэлектрика, то амплитуда механической деформации будет максимальной. Резонансную частоту образца можно определить по формуле (V - скорость распространения механических волн, h - толщина образца):

Важнейшей характеристикой пьезоэлектрического материала служит коэффициент электромеханической связи, показывающий, соотношение между мощностью механических колебаний Pа и электрической мощностью Pэ, затрачиваемой на их возбуждение посредством действия на образец. Данный коэффициент обычно принимает значение из диапазона от 0,01 до 0,3.

Для пьезоэлектриков характерна кристаллическая структура материала с ковалентной или ионной связью без центра симметрии. Материалы с низкой удельной проводимостью, в которых свободных носителей заряда пренебрежимо мало, отличаются высокими пьезоэлектрическими показателями. К пьезоэлектрикам относятся все сегнетоэлектрики, а также обилие известных материалов, в том числе кристаллическая модификация кварца.

Монокристаллические пьезоэлектрики

Данный класс пьезоэлектриков включает в себя ионные сегнетоэлектрики и кристаллическую модификацию кварца (бета-кварц SiO2).

Монокристалл бета-кварца имеет форму шестигранной призмы с двумя пирамидами по бокам. Выделим здесь несколько кристаллографических направлений. Ось Z проходит через вершины пирамид, и является оптической осью кристалла. Если вырезать пластину из такого кристалла в направлении перпендикулярном данной оси (Z), то пьезоэлектрический эффект получить не удастся.

Оси X проведем через вершины шестигранника, здесь три таких оси X. Если вырезать пластины перпендикулярно осям X, то получим образец с наилучшим пьезоэффектом. Оси X называются поэтому у кварца электрическими осями. А три оси Y, проведенные перпендикулярно боковым граням кристалла кварца — механические оси.

Данный вид кварца относится к слабым пьезоэлектрикам, его коэффициент электромеханической связи находится в пределах от 0,05 до 0,1.

Кристаллический кварц возымел наибольшую применимость в силу способности сохранять пьезоэлектрические свойства при температурах до 573°C. Пьезоэлектрические резонаторы на базе кварца — это есть ни что иное, как плоскопараллельные пластины с прикрепленными к ним электродами. Такие элементы отличаются ярко выраженной собственной резонансной частотой.

Ниобит лития (LiNbO3) — широко применяемый пьезоэлектрический материал, относящийся к ионным сегнетоэлектрикам (наравне с танталатом лития LiTaO3 и германатом висмута Bi12GeO20). Ионные сегнетоэлектрики предварительно отжигают в сильном электрическом поле при температуре ниже точки Кюри, чтобы привести их в однодоменное состояние. Такие материалы обладают более высокими коэффициентами электромеханической связи (до 0,3).

Сульфид кадмия CdS, оксид цинка ZnO, сульфид цинка ZnS, селенид кадмия CdSe, арсенид галлия GaAs и т. д. — примеры соединений полупроводникового типа с ионно-ковалентной связью. Это так называемые пьезополупроводники.

Этилендиаминтартрат C6H14N8O8, турмалин, монокристаллы сегнетовой соли, сульфат лития Li2SO4H2O — на основе этих дипольных сегнетоэлектриков также получают пьезоэлектрики.

Поликристаллические пьезоэлектрики

К поликристаллическим пьезоэлектрикам относится сегнетоэлектрическая керамика. Для придания сегнетокерамике пьезоэлектричексих свойств, такую керамику необходимо в течение часа поляризовать в сильном электрическом поле (напряженностью от 2 до 4 МВ/м) при температуре от 100 до 150°C, чтобы по завершении этого воздействия в ней осталась поляризация, позволяющая в дальнейшем получать пьезоэлектрический эффект. Так получают сильную пьезоэлектрическую керамику с коэффициентами пьезоэлектрической связи от 0,2 до 0,4.

Из пьезокерамики изготавливают пьезоэлементы требуемой формы, чтобы потом получать механические колебания необходимого характера (продольные, поперечные, изгибыне). Главные представители промышленной пьезокерамики изготавливаются на основе титаната бария, кальция, свинца, цирконата-титаната свинца, ниобата бария-свинца.

Полимерные пьезоэлектрики

Пленки полимеров (например поливинилиденфторид) вытягивают на 100-400%, затем поляризуют в электрическом поле, а после - наносят электроды путем металлизации. Так получают пленочные пьезоэлементы с коэффициентом электромеханической связи порядка 0,16.

Применение пьезоэлектриков

Отдельные и соединенные друг с другом пьезоэлементы можно встретить в виде готовых радиотехнических устройств — пьезоэлектрических преобразователей с нанесенными на них электродами.

Такие устройства, изготовленные из кварца, пьезокерамики или ионных пьезоэлектриков, служат для генерации, трансформации и фильтрации электрических сигналов. Плоско-параллельную пластинку вырезают из кристалла кварца, прикрепляют электроды — получают резонатор.

Частота и добротность резонатора зависит от угла к кристаллографическим осям, под которым вырезали пластинку. Обычно в диапазоне радиочастот до 50 МГц добротность таких резонаторов достигает 100000. Кроме того пьезоэлектрические преобразователи находят широкое применение в качестве пьезотрансформаторов с высоким входным сопротивлением, для характерно большого диапазона частот.

По добротности и частоте кварц превосходят ионные пьезоэлектрики, способные действовать на частотах до 1 ГГц. Тончайшие пластинки танталата лития применяются как излучатели и приемники ультразвуковых колебаний частотой от 0,02 до 1 ГГц, в резонаторах, фильтрах, линиях задержки на поверхностных акустических волнах.

Тонкие пленки пьезополупроводников, напыленные на диэлектрические подложки, применяются в встречно-штыревых преобразователях (чередующиеся электроды служат здесь для возбуждения поверхностных акустических волн).

Низкочастотные пьезоэлектрические преобразователи изготавливают на базе дипольных сегнетоэлектриков: миниатюрные микрофоны, динамики, звукосниматели, датчики давления, деформации, вибрации, ускорения, ультразвуковые излучатели.

Введение
1 Общие сведения об электроматериалах
- 1.2 Особенности строения твердых тел
- 1.3 Элементы зонной теории твердого тела
- 2.1 Виды электропроводности проводниковых материалов
- 2.2 Основные свойства металлических проводников
- 2.3 Металлы высокой проводимости
- 2.4 Тугоплавкие металлы
- 2.5 Благородные металлы
- 2.6 Коррозионно-стойкие металлы
- 2.7 Некоторые другие металлы
- 2.8 Сплавы высокого сопротивления
- 2.9 Сплавы для термопар
- 2.10 Тензометрические сплавы
- 2.11 Контактные материалы
- 2.12 Припои и флюсы
- 2.13 Неметаллические проводящие материалы
- 3.1 Электропроводность полупроводников
- 3.2 Влияние внешних факторов на электропроводность полупроводников
- 3.3 Термоэлектрические и электротермические эффекты в полупроводниках
- 3.4 Гальваномагнитные эффекты в полупроводниках
- 3.5 Оптические и фотоэлектрические эффекты в полупроводниках
- 3.6 Электрические переходы
- 3.7 Основные полупроводниковые материалы
- 4.1 Поляризация диэлектриков
  - 4.1.1 Полярные и неполярные диэлектрики
  - 4.1.2 Механизмы поляризации
  - 4.1.3 Влияние различных факторов на относительную диэлектрическую проницаемость
  - 4.2.1 Электропроводность твердых диэлектриков
  - 4.2.2 Электропроводность жидких диэлектриков
  - 4.2.3 Электропроводность газов
  - 4.3.1 Потери на электропроводность
  - 4.3.2 Релаксационные потери
  - 4.3.3 Резонансные потери
  - 4.3.4 Миграционные и ионизационные потери (потери от неоднородности структуры)
  - 4.4.1 Пробой газов
  - 4.4.2 Пробой жидкостей
  - 4.4.3 Пробой твердых диэлектриков
  - 4.5.1 Газообразные диэлектрики
  - 4.5.2 Жидкие диэлектрики
  - 4.5.3 Твердые диэлектрики
  - 4.6.1 Сегнетоэлектрики
  - 4.6.2 Пьезоэлектрики
  - 4.6.3 Пироэлектрики
  - 4.6.4 Электреты
  - 4.6.5 Жидкие кристаллы
  - 5.1 Общие сведения о магнитных свойствах вещества
  - 5.2 Классификация веществ по магнитным свойствам
  - 5.3 Физическая сущность ферромагнетизма
    - 5.3.1 Доменное строение как основа ферромагнетизма
    - 5.3.2 Намагничивание ферромагнетиков
    - 5.5.1 Магнитострикция и магнитоупругость
    - 5.5.2 Влияние температуры на магнитные свойства
    - 5.5.3 Магнитные потери
    - 5.6.1 Постоянные магниты
    - 5.6.2 Пермаллои
    - 6.1 Общие сведения о компонентах радиоэлектроаппаратуры
    - 6.2 Резисторы: классификация, основные параметры
      - 6.2.1 Классификация резисторов
      - 6.2.2 Основные параметры и свойства резисторов
      - 6.2.3 Основные виды проводящих элементов резисторов
      - 6.2.4 Магниторезисторы
      - 6.2.5 Фоторезисторы
      - 6.3.1 Классификация конденсаторов
      - 6.3.2 Основные характеристики конденсаторов
      - 6.3.3 Нелинейные конденсаторы
      - 6.4.1 Общие сведения и основные параметры
      - 6.4.2 Классификация диодов
      - 6.4.3 Условное графическое обозначение диодов в схемах
      - 6.4.4 Надежность и причины отказов полупроводниковых диодов
      - 7.1 Краткие сведения о датчиках
      - 7.2 Термоэлектрический эффект Зеебека
      - 7.3 Электротермический эффект Пельтье
      - 7.4 Эффект Холла
      - 7.5 Магниторезистивный эффект (эффект Гаусса)
      - 7.6 Магнитоупругий эффект
      - 7.7 Фотоэффект
      - 7.8 Терморезистивный эффект
      - 7.9 Тензорезистивный эффект
      - 7.10 Пьезоэлектрический эффект
      - 7.11 Пироэлектрический эффект
      7.10 Пьезоэлектрический эффект
      
      Различают прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты (пьезоэффекты). Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в образовании в кристаллическом материале электрических зарядов при приложении к нему механических напряжений, а обратный - в изменении размеров диэлектрика при приложении к нему электрического поля (см. п. 4.6.2).
      
      На пьезоэффекте основана работа пьезоэлектрических датчиков (пьезодатчиков).
      
      Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие вещества, как природные (кварц, турмалин, сегнетова соль), так и искусственно создаваемые: титанит бария, титанит свинца и т.д.
      
      Чувствительный элемент пьезодатчика обычно представляет собой пластинку, изготовленную из пьезоэлектрического материала, на которой имеются два изолированных друг от друга электрода. Изготовление преобразователей из пьезокерамических материалов проще, чем из монокристаллических материалов. Рассмотрим основные характеристики пьезоэлектрических датчиков на примере датчика силы (или давления), конструкция и электрическая эквивалентная схема которого показаны на рисунке 7.27.
      
      1 – пьезоэлектрические пластины; 2 – электроды; 3 – корпус
      Рисунок 7.27 – Пьезоэлектрический датчик: а - конструкция; б - эквивалентная схема
      
      Для увеличения чувствительности в преобразователе (рисунок 7.27,а) используются две пьезоэлектрические пластины 1, соединенные параллельно. Заряд Q, возникающий на гранях пластин 1, пропорционален приложенной силе F (давление Р = S . F, где S – площадь поверхности, на которую действует сила F). Сигнал с пластин снимается при помощи электродов 2, выполненных из фольги. Пластины помещаются в корпус 3. На эквивалентной схеме (рисунок 7.27,б) С₀ – это электрическая емкость датчика, R₀ – сопротивление датчика.
      
      Применяются пьезоэлектрические преобразователи в трех направлениях:
      1. преобразователи, использующие прямой пьезоэффект (приборы для измерения силы, давления, ускорения);
      2. преобразователи, использующие обратный пьезоэффект (излучатели ультразвуковых колебаний, преобразователи напряжения в деформацию, приборы уравновешивания и др.);
      3. преобразователи, использующие одновременно прямой и обратный пьезоэффект (пьезорезонаторы).
      • высокая чувствительность и разрешающая способность;
      
      • широкий диапазон измерений;
      
      • возможность измерять быстропеременные процессы;
      
      • высокая точность преобразования механических напряжений в электрический заряд.
      - невозможность измерять статические величины;
      - наличие нелинейности и гистерезиса;
      - сложность градуировки;
      - сложность экранировки и защиты от помех и наводок;
      - необходимость в качественных усилителях выходного сигнала.
      Рассмотрим перечисленные направления использования пьезодатчиков более подробно.
      
      ► Пьезоэлектрические преобразователи прямого пьезоэффекта
      
      Такие датчики во многом являются альтернативой резистивным датчикам деформации.
      
      На рисунке 7.28 схематически показано устройство пьезоэлектрического преобразователя давления. Измеряемое давление Р действует на мембрану 1, представляющую собой дно корпуса преобразователя. Кварцевые пластины 2 соединены параллельно, наружные обкладки пластин заземляются, а средняя обкладка (латунная фольга 3) изолируется. Сигнал с кварцевых пластин снимается кабелем 5. Для удобства соединения вывода от фольги с внутренней жилой кабеля в корпусе преобразователя предусмотрено отверстие, закрываемое пробкой 4.
      
      1 – мембрана; 2 – кварцевые пластины; 3 – латунная фольга, 4 – пробка; 5 – кабель
      Рисунок 7.28 – Устройство пьезоэлектрического преобразователя давления
      
      Выходная мощность пьезоэлектрических преобразователей очень мала, и поэтому на выход преобразователя должен быть включен усилитель с большим входным сопротивлением.
      
      Достоинства пьезодатчиков давления: малая чувствительность к магнитным полям, достаточная ударная прочность.
      
      Недостатки пьезодатчиков давления: температурная погрешность.
      
      Пьезоэлектрический датчик силы показан на рисунке 7.29.
      
      Рисунок 7.29 – Пьезоэлектрический датчик силы
      
      Пьезоэлектрические датчики ускорения измеряют проекцию кажущегося ускорения (разности между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением). Они называются также акселерометры (лат. accelero – ускоряю и греч. μετρέω – измеряю). Как правило, акселерометр представляет собой чувствительную массу, закреплённую в упругом подвесе. Отклонение массы от её первоначального положения при наличии кажущегося ускорения несёт информацию о величине этого ускорения.
      
      На рисунке 7.30 показаны пьезоэлектрические акселерометры, основанные на сжатии и сдвиге.
      
      Рисунок 7.29 – Пьезоэлектрический акселерометр: а – сжатие; б – сдвиг
      
      Пьезоэлементы также применяются в тактильных датчиках (рисунок 7.31).
      
      Рисунок 7.31 – Пьезоэлектрический тактильный датчик
      
      Подключите интернет и пройдите по пунктам меню как показано на картинке выше.
      
      Датчики акустической эмиссии также основаны на прямом пьезоэффекте.
      
      Метод акустической эмиссии (технической диагностики) основан на регистрации акустических волн, излучаемых дефектом при нагружении материала или конструкции. Причиной образования упругих волн являются пластическая деформация, процессы движения дислокации кристаллов, возникновение и развитие микротрещин, которые генерируют волновой фронт при деформации. При помощи пьезодатчиков удается точно определить координаты дефекта.
      
      ►Пьезоэлектрические преобразователи обратного пьезоэффекта
      
      На поверхность пьезопластины наносят тонкие слои серебра, служащие электродами. При подаче на пьезопластину электрического напряжения она изменяет свою толщину (обратный пьезоэффект). Если напряжение знакопеременно, то пластина колеблется в такт этим изменениям, создавая в окружающей среде упругие ультразвуковые колебания (при этом пластина работает как излучатель).
      
      ►Пьезоэлектрические преобразователи прямого и обратного пьезоэффекта (пьезорезонаторы)
      
      Явление резонанса возникает в пьезодатчиках при приближении частоты питающего напряжения к собственной частоте пьезоэлемента.
      
      Пьезорезонаторы применяются в качестве фильтров, пропускающих очень узкую полосу частот. Управляемые резонаторы используются в качестве преобразователей различных неэлектрических (температуры, давления, ускорения и т. д.) величин в частоту.
      
      Конструкция термочувствительного пьезорезонансного преобразователя показана на рисунке 7.32. В металлический герметизированный баллон (диаметром 6-8 мм), заполненный гелием, помещен линзовый кварцевый резонатор 1, укрепленный на токоподводах 2 и 3.
      
      Рисунок 7.32 – Конструкция кварцевого термопреобразователя:
      1 – резонатор; 2, 3 – токоподводы
      
      Достоинства кварцевых термопреобразователей: высокая разрешающая способность и временная стабильность.
      
      Недостаток кварцевых термопреобразователей: большая инерционность.
      
      Массочувствительные пьезорезонансные датчики выполняются в основном из термонезависимых срезов кварца. На датчик прикрепляется некоторый материал, масса которого может меняться вследствие, например, абсорбции жидкости или газа. В этом случае изменение частоты пропорционально изменению массы.
      
      В качестве тензочувствительных резонаторов применяются пьезоэлементы, в которых используются колебания сдвига по толщине и колебания изгиба, так как только для этих типов колебаний удается решить проблему развязки между колеблющейся частью резонатора и конструктивными элементами, через которые передается механическая нагрузка.
      
      Тензочувствительный пьезорезонансный датчик гидростатического давления в диапазоне до 70 МПа показан на рисунке 7.33.
      
      Рисунок 7.33 – Тензочувствительный пьезорезонансный датчик гидростатического давления:
      1 – перемычка; 2 – кварцевый цилиндр; 3, 4 – крышки из кварца
      
      Основу датчика составляет линзовый резонатор, выполненный в виде перемычки 1 в кварцевом цилиндре 2. Для герметизации применены крышки 3 и 4 также из кварца, ориентированного относительно кристаллографических осей идентично с цилиндром, что позволяет полностью устранить термонапряжение. Измеряемое давление создает всестороннее сжатие цилиндра и плоское сжатие перемычки. Кварцевый блок расположен в цилиндре, заполненном жидкостью, на которую через мягкую мембрану передается давление внешней среды. Для уменьшения перегрева блок термостатируется.
      
      Читайте также: