9.2.7. Пьезоэлектрические чувствительные элементы

В них используется пьезоэлектрический эффект, сущность кото­рого состоит в том, что под действием приложенного уси­лия на гранях некоторых кристаллов (кварца, титана, бария, турмалина, сегнетовой соли и др.) появляются элек­трические заряды (прямой пьезоэффект), а при внесении пьезоэлемента в электрическое поле он деформируется (об­ратный пьезоэффект).

При дей­ствии силы F на сжатие или растяжение на гранях пластины возникают разнополярные электрические заряды q (рис. 9.10).

Рисунок 9.10 – Возникновение пьезоэффекта в кристалле кварца: 1,2- пластины кварца; 3- электропроводящая фольга; 4- консоль крепления

пластин.

В общем виде плотность зарядов  зависит от механического напряжения кристалла :

,

где d - величина, постоянная для данного типа материала и конструкции чувствительного элемента.

Если к кристаллу приложить внешнее электрическое поле Е (подвести электрическое напряжение), то он начнет деформироваться – изменять свои геометрические размеры, а значит, и электрическую емкость. Переменное внешнее электрическое поле приводит к возникновению в кристалле механических колебаний, частота которых зависит от его величины и конструкции. Такие пьезодатчики называются кварцевыми резонаторами – в них основная частота механических колебаний зависит от собственной частоты кристалла:

где E_i - модуль упругости пластины,  - плотность, Δd - расстояние между краями пластины.

Если включить кварцевый резонатор П_э по схеме автогенератора (рис.9.11), то на выходе ОУ возникнет сигнал с частотой f, зависящей от приложенного внешнего воздействия – усилия, температуры, вибрации и т.п.

Конденсатор П_э с кварцевой пластиной включен на инвертирующий вход операционного усилителя ОУ. Ток насыщения конденсатора создает падение напряжения на инвертирующем входе ОУ, которое инвертируется и изменяет знак питания цепи П_э-R, в результате чего возникают колебания, частота которых определяется ее постоянной времени. Частота колебаний генератора совпадает с собственной частотой кварца и возникают резонансные автоколебания.

Рисунок 9.11 – Кварцевый автогенератор

Чувствительные элементы пьезорезонансных датчиков выполняют в виде резонатора той или иной формы – прямо-угольной, квадратной, круглой и т.п. Пьезоэлектрические датчики используются при измерении усилий, давлений, вибраций и других физических величин.