Раздел 1. Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрические преобразователи выполняются из ма­териалов, в которых может возникать пьезоэлектрический эффект.

Пьезоэффект может быть прямым и обратным.

Прямой пьезоэффект заключается в возникновении элект­рических зарядов на гранях пьезоэлектрика при воздействии на него механической силы, вызывающей напряжение в мате­риале. При устранении силы заряды исчезают.

Обратный пьезоэффект проявляется в том, что пьезоэлектрик, помещенный в электрическое поле, изменяет свои геомет­рические размеры.

Чаще всего в качестве пьезоэлектрика применяется кварц, на примере которого и рассмотрим принцип действия пьезо­электрического преобразователя.

В кристаллах кварца принято различать три главные оси: оптическую z, электрическую х и механическую у (рис. 4.51).

Параллелепипед, вырезанный из кристалла кварца так, чтобы его грани были параллельны главным осям, обладает следующими свойствами:

1) при воздействии силы F _у, направленной вдоль электри­ческой оси х, на гранях bc, перпендикулярных этой оси, появляются электрические заряды. Это так называемый продоль­ный пьезоэффект;

2) при воздействии силы F_у, направленной вдоль механи­ческой оси у, заряды появляются так же на гранях bc. Это — поперечный пьезоэффект;

3) если приложить механическую силу вдоль оптической оси z, то заряды не возникнут.

Величина зарядов, возникающих на гранях кристалла bc под действием силы F_X, не зависит от геометрических разме­ров кристалла и равна (1)

(4.24)

где d₁ — постоянный коэффициент, называемый пьезоэлектрической постоянной.

Величина зарядов, возникающих под действием силы F_y зависит от геометрических размеров кристалла и имеет про­тивоположный знак

(4.25)

где d₁— та же постоянная, что и в формуле (4.24), b и а— дли­на граней.

Рис. 4.51. Кристалл кварца.

Из формулы (4.25) видно, что в случае необходимости мож­но повысить чувствительность пьезоэлектрика, увеличив отношение b / a.

В случае растягивающих усилий вдоль осей х и у возни­кающие заряды будут иметь знаки, противоположные случаю сжимающих усилий.

В тех случаях, когда параллелепипед вырезан не вдоль осей, а под углом к ним, возникающие заряды будут меньше. Учет углов рассматривается в специальной литературе.