Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрическими называются кристаллы и текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект). Пьезоэффект обладает знакочувствительностью, т.е. происходит изменение знаков заряда при замене сжатия растяжением и изменения знака деформации при изменении направления поля. Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кристаллические вещества [10]: кварц, турмалин, ниобат лития, сегнетова соль и др., а также искусственные пьезокерамики: титанат бария, титанат свинца, цирконат свинца и др.

Физическую природу пьезоэффекта рассмотрим на примере наиболее известного пьезоэлектрического кристалла – кварца. Ячейка кристаллической структуры кварца в целом электрически нейтральна, однако в ней можно выделить три направления, проходящие через центр и соединяющие два разнополярных иона. Эти полярные направления называются электрическими осями или осями X, и по ним направлены векторы поляризации Р ₁ Р ₂ и Р ₃. Если к кристаллу кварца вдоль оси приложена сила F_x, равномерно распределенная по грани, перпендикулярной оси X, то в результате деформации элементарной ячейки ее электрическая нейтральность нарушается. При этом, как показано на рис. 2.22, а, в деформированном состоянии сумма проекций векторов Р ₂ и Р ₃ на ось X становится меньше (при сжатии) или больше (при растяжении) вектора Р _х. В результате появляется равнодействующая вектора поляризации, ей соответствуют поляризационные заряды на гранях, знаки которых для сжатия показаны на рис. 2.22, а. Нетрудно видеть, что деформация ячейки не влияет на электрическое состояние вдоль оси Y. Здесь сумма проекций векторов равна нулю, ибо Р _{2 у} = Р _{3 у} .Образование поляризационных зарядов на гранях, перпендикулярных оси X, при действии силы по оси X называется продольным пьезоэффектом.

При механических напряжениях, приложенных вдоль одной из осей Y (их называют механическими осями), геометрическая сумма проекций векторов Р ₂ и Р ₃ на ось Y равна нулю, и на гранях пьезоэлемента, перпендикулярных оси Y, поляризационные заряды не образуются. Однако сумма проекций векторов Р ₃ и Р ₂ на ось X оказывается не равной вектору P _l. Так, при сжатии пьезоэлемента, как показано на рис. 2.22, б, указанная сумма превышает P _l в результате на нижней грани образуются положительные заряды, а на верхней – отрицательные. Рассмотренный эффект образования зарядов на гранях, перпендикулярных нагружаемым граням, называется поперечным.

При равномерном нагружении со всех сторон (например, гидростатическое сжатие или тепловые напряжения и деформации) кристалл кварца остается электрически нейтральным, так же как и при нагружении по оси Z, перпендикулярной осям X и Y и называемой оптической осью кристалла.

Пироэлектрики представляют собой особую разновидность пьезоэлектрических кристаллов и отличаются от собственно пьезоэлектриков тем, что их ячейка имеет одно или несколько взаимно неуравновешенных полярных направлений. Благодаря этому указанная группа кристаллов поляризуется при всестороннем гидростатическом давлении и тепловом расширении, откуда и происходит название «пироэлектрики». Типичным представителем пироэлектриков является турмалин.

а б

Рис. 2.22. Продольный и поперечный пьезоэффекты

Сегнетоэлектрики входят в группу пироэлектрических кристаллов. Характерным отличием сегнетоэлектриков является то, что их кристалл разбит на домены, в пределах которых существует упорядоченная структура и свое полярное направление. Однако полярные направления доменов ориентированы по-разному. Такое строение подобно строению ферромагнетиков, поэтому сегнетоэлектрические материалы называют также ферроэлектрическими. Сегнетоэлектрикам присуща нелинейная зависимость плотности поляризованных зарядов от внешних воздействий (механические напряжения, температура и т. д.) и гистерезис.

Область применения пьезоэлектрических преобразователей весьма обширна.

1. Преобразователи, использующие прямой пьезоэффект (рис. 2.23, а), применяются в приборах для измерения силы, давления, ускорения, в качестве микрофонов.

2. Преобразователи, выполненные из материалов, обладающих пироэффектом, могут быть использованы для измерений тепловой радиации (рис. 2.23, б).

3. Преобразователи, использующие обратный пьезоэффект, применяются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний, в качестве преобразователей напряжения в деформацию, например, в пьезоэлектрических реле, пьезовибраторах осциллографов (рис. 2.23, в), в качестве обратных преобразователей приборов уравновешивания, динамиков, звуковых излучателей и др.

а б в г

Рис. 2.23. Принципы работы пьезоэлектрических преобразователей

4. Преобразователи, использующие одновременно прямой и обратный пьезоэффекты, – пьезорезонаторы. Пьезорезонаторы, включенные в цепь положительной обратной связи усилителя, работают в режиме автоколебаний и используются в генераторах. В зависимости от типа кристалла, среза и типа возбуждаемых колебаний пьезорезонаторы могут выполняться с высокостабильной, не зависящей от внешних факторов собственной частотой и с управляемой собственной частотой. Управляемые резонаторы используются в частотно-цифровых приборах как преобразователи различных, преимущественно неэлектрических величин (температура, давление, ускорение и т. д.) в частоту.

В пьезоэлектрических преобразователях силы, давления и ускорения используется прямой пьезоэффект. К достоинствам этих преобразователей можно отнести малые габариты, простоту конструкции, надежность работы, возможность измерения быстропеременной величины, высокую точность преобразования напряжения в электрический заряд. Для повышение чувствительности датчиков используют пьзокерамику. Пьезоэлемент выполняется в виде ряда параллельно соединенных пластин. Чувствительность в этом случае повышается. Увеличение чувствительности также достигается при использовании поперечного пьезоэффекта, но в этом случае тонкая пластина, нагружаемая вдоль может потерять устойчивость. Высокую чувствительность имеют пьезоэффекты работающие на изгиб и на сдвиг. Измерительные цепи пьезодатчиков выполнены в виде усилителей напряжения с высокоомным входом.