Рис. 4.20.

Рис. 4.21

пендикулярных осям X к Y; di\ = di2 = 2,31 . 10"* К/Н - пьезоэлектрические модули.

Возникновение заряда под действием силы назьшается продольным пьезоэффектом, возникновение заряда под действием Fy - поперечным пьезоэффектом. Действие силы F вдоль оси Z не вызьгеает никаких электрических зарядов.

Кварцевая пластинка имеет высокую прочность. Допустимые напряжения могут доходить до (0,7-1) • 10* Н/м, что позволяет прикладывать к ней большие измеряемые силы. Она имеет большой модуль упругости, что обусловливает ее высокую жесткость и очень малое собственное внутреннее трение. Последнее обстоятельство обусловливает высокую добротность изготовленных из кварца пластинок. Кварцевые пластинки используются для изготовления преобразователей, измеряющих давление и силу.

Кварц - материал с высокой твердостью, он трудно обрабатывается и может применяться для изготовления пластинок лишь простой формы.

Пьезоэлектрический модуль d практически постоянен до температуры 200 °С, а затем с увеличением температуры немного уменьшается. Предельная рабочая температура составляет 500 °С. При температуре 573 °С (температура Кюри) кварц теряет пьезоэлектрические свойства. Относительная диэлектрическая проницаемость равна 4,5 и несколько увеличивается с увеличением температуры. Удельное объемное сопротивление кварца превышает 10* Ом.

Электрические и механические свойства кварца имеют высокую стабильность. За 10 лет изменение характеристик не превосходит 0,05%.

Пьезоэлектрическая керамика. Пьезокерамика имеет доменное строение, причем домены поляризованы. При отсутствии внешнего электрического поля поляризация отдельных доменов имеет хаотическое направление и на поверхности изготовленного из пьезокерамики тела электрический заряд отсутствует. В электрическом поле домены ориентируются в направлении зтого поля, вещество поляризуется и на поверхности тела появляются заряды. При сняттш поля домены сохраняют свою ориентацию, вещество остается поляризованным, но поверхностный заряд с течением времени стекает. Если к телу, изготовленному из пьезокерамики, после обработки его в электрическом поле приложить механическую нагрузку, то под ее действием домены изменяют свою ориентацию и изменяется поляризация вещества. Изменение поляризации вызывает появление заряда на поверхности тела. Тело, изготовленное из поляризованной керамики, при воздействии механической силы электризуется так же, как и естественные пьезоэлектрические монокристаллы.

Типичной пьезоэлектрической керамикой является титанат бария ВаТЮз- Его пьезоэлектрический модуль лежит в пределах di = = (4,35 8,35) 10" К/Н; диэлектрическая проницаемость - в пределах ег = 1100 н- 1800; тангенс угла диэлектрических потерь, характеризующий внутреннее удельное сопротивление, - в пределах tg6 = = 0,3 -i- 3%. Зависимость возникающего заряда от приложенной силы имеет некоторую нелинейность и гистерезис. Свойства пьезокерамик зависят также от их технологии и поляризующего напряжения.

Большинство пьезокерамик обладает достаточной температурной стабильностью. Пьезоэлектрические свойства сохраняются вплоть до температуры Кюри. Для титаната бария она равна 115 °С.

С течением времени параметры пьезокерамики самопроизвольно изменяются. Старение обусловливается измерением ориентации доменов.

Изготовление преобразователей из пьезокерамики значительно проще, чем из монокристаллов. Керамические изделия делаются по технологии, обычной для радиокерамических изделий (путем прессования или литья под давлением), на керамику наносятся электроды, к электродам привариваются выводные провода. Отличие заключается в электрической обработке. Для поляризации изделие помещается в электрическое поле напряженностью 10-10* В/м.

Принцип действия пьезоэлектрического преобразователя. Действие пьезоэлектрического преобразователя основано на прямом пьезоэффек-те. Обычно он представляет собой пластинку, изготовленную из пьезоэлектрического материала, на которой имеются два изолированных друг от друга электрода.

В зависимости от вещества, формы преобразователя и ориентации кристаллических осей входной величиной могут быть как силы, производящие деформацию сжатия-растяжения, так и силы, производящие

деформацию сдвига. Последний вид деформации может использоваться в преобразователях, имеющих в качестве входной величины момент силы.

Выходной величиной преобразователя является напряжение на электродах

Е = qlC (4.82)

где q - пьезоэлектрический заряд; С - емкость, образованная электродами.

Подставляя (4.80) в (4.82), получим функцию преобразования пьезоэлектрического преобразователя

Е = dFIC. (4.83)

Если преобразователь имеет форму плоской пластины, то емкость между его электродами

C = eeoQ/d, (4.84)

где €г - относительная диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрического вещества; Q - площадь электродов; б - расстояние между электродами.

Подставляя (4.84) в (4.83), получим функцию преобразования преобразователя

Е = dbFjeeoQ. (4.85)

ЭДС, возникающая на электродах преобразователя, довольно значительна - единицы вольт. Однако если сила постоянна, то измерить ЭДС трудно, поскольку заряд мал и быстро стекает через входное сопротивление вольтметра. Если же сила переменна, то образуется переменная ЭДС, измерить которую значительно проще. Если при зтом период изменения силы много меньше постоянной времени, определяемой емкостью преобразователя и сопротивлением утечки заряда, то процесс утечки не влияет на выходное напряжение преобразователя. При синусоидальном законе изменения силы

F = Fsincjf (4.86)

ЭДС изменяется также синусоидально:

Е = Esinuit. (4.87)

Измерение переменной силы сводится к измерению переменной ЭДС или напряжения.

Схема включения. Пьезоэлектрический преобразователь является генераторным преобразователем, вырабатывающим ЭДС. Для преобразования ее в приборе имеется вторичный преобразователь, в качестве