2. Прямий і зворотний пьезоеффекти
3. П'єзоелектричні матеріали
4. Структура п'єзоматеріалів
5. Конструктивні особливості
6. Переваги та недоліки п'єзоелектричних ІП
7. Схеми включення п'єзоелектричних ІП
• П'єзоелектричні перетворювачі - перетворювачі механічних і акустичних коливань в електричні і назад, засновані на п'єзоелектричного ефекту. Використовуються в якості потужних джерел ультразвуку, випромінювачів і приймачів звуку, мікрофонів і гідрофонів, звукових резонаторів, фільтрів, датчиків механічного напруги. Застосовуються в акустоелектроніці і сейсмічних дослідженнях.
• П'єзоефект - виникнення електрич-чеський поляризації в речовині за відсутності електричного поля при пружних деформаціях (прямий П. е.) І поява механічних деформацій під дією електричного поля (зворотний П. е.). Перше дослідження П. е. здійснено П. Кюрі (1880) на кристалі кварцу. П. е. виявлено більш ніж в 1500 речовин. П. е. спостерігається у всіх сегнетоелектриків і у багатьох піроелектриків.
Прямий і зворотний пьезоеффекти
Принцип дії ІП п'єзоелектричних датчиків заснований на використанні прямого або зворотного п'єзоефектів:
• Прямий п'єзоефект - полягає в здатності деяких матеріалів генерувати електричні заряди при додатку механічного навантаження.
• Зворотний п'єзоефект - полягає в зміні механічної напруги або геометричних розмірів зразка матеріалу під впливом електричного поля.
Кількісно п'єзоефект характеризується п'єзомодуль:
де Q - генерується заряд при впливі сили F.
Як п'єзоелектричних матеріалів використовуються кварц, турмалін і штучно поляризована кераміка на основі титанату барію (ВаТiO3), титанату свинцю (PbТiOз), цирконата свинцю (PbZrO3) і ін.
• Найбільш поширений кварц; він має незначний коефіцієнт лінійного розширення при модулі пружності Е = 7,7 × 10 10 Па, високий питомий електричний опір (близько 10 16 Ом / м) і порівняно незначну залежність п'єзомодуль (2,3 × 10 12 Кл / Н) від температури в діапазоні 2ОО. 5ОО ° С.
• П'єзокераміка є продуктом відпалу спресованої суміші, що містить дрібно роздроблені сегнетоелектрічеськие кристали; п'єзоелектричні властивості така кераміка набуває після поляризації в електричному полі.
Механічна міцність пьезокераміки залежить від технології і якості обробки дотичних площин; п'єзомодуль, діелектрична проникність і їх стабільність залежать від вибору напрямку поляризації, напрямки дії сили Р і способу знімання заряду.
• П'єзокераміка на основі ниобата свинцю (НБС) і цирконата-титанату свинцю (ЦТС) більш стабільна, ніж на основі титанату барію, однак поступається їм по чутливості. Так, п'єзокераміка на основі титанату барію має точку Кюрі 120˚С (температура, при якій губляться п'єзоелектричні властивості) при п'єзомодуль близько 100 х 10 12 Кл / Н, а п'єзокераміка ЦТС-19 точку Кюрі 290 ° С і в два рази більше високе значення п'єзомодуль.
Всі природні п'єзоматеріалів мають кристалічну структуру. Так, кварц має шестигранну структуру кристала: пьезочувствітельний елемент зазвичай вирізають з кристала кварцу у вигляді пластини (паралелепіпеда), сторони якої паралельні осям кристала (рис. 1, а). У вільному (ненапруженому) стані в пластині все заряди скомпенсовані і вона є електрично нейтральною.
Якщо до пластини кварцу прикладена сила F уздовж осі X (див. Рис. 1, а), то на її гранях, перпендикулярних осі X, виникають різнополярні електричні заряди Q, значення яких в межах пружних деформацій прямо пропорційні сил е F відповідно до вираження (1). Такий п'єзоефект називається поздовжнім.
Мал. 1 Кристал кварцу (а) і конструкції п'єзоелектричних ІП (б, в, г, д)
Значення зарядів при цьому не залежать від геометричних розмірів пластини, а визначаються лише силою F.