Принцип действия и устройство пьезоэлектрических датчиков динамических усилий, вибраций, толчков

Ряд керамических диэлектриков обладает так называемым пьезоэффектом, на основе которого изготавливают пьезоэлектрические первичные преобразователи и датчики. Они состоят из набора пластин из материала, обладающего пьезоэффектом (например, из кварца), и применяются для измерения динамических сил, моментов, вибраций, толчков и т.п.

В момент приложения механической силы F_x на поверхности появляются электрические заряды (рис. 1г, д). Суммарный заряд пропорционален значению действующей силы, а его знак показывает направление этой силы (сжатие (рис. 1г) или растяжение (рис. 1д)). Напряженность зарядов электрического поля измеряют специальными электронными устройствами.

Таким образом, напряжение U на обкладках датчика пропорционально значению действующей силы F_x:

,

где а ₀ – коэффициент пропорциональности, называемый пьезомодулем; С – суммарная емкость датчика и соединительных проводов.

Чувствительность (В/Н) рассматриваемого датчика

.

Для повышения чувствительности датчика пластины соединяют последовательно, увеличивая таким образом суммарное напряжение.

Недостатки пьезоэлектрических датчиков (необходимость в применении усилителей, хрупкость пьезоматериала, возможность измерения только динамических сил) ограничивают сферу их применения.