Пьезоэлектрический датчик

Пьезоэлектрический датчик — это устройство, преобразующее механическое воздействие (давление, деформацию, ускорение) в электрический сигнал за счёт прямого пьезоэлектрического эффекта. Относится к классу электромеханических преобразователей и широко применяется в измерительной технике, промышленности, медицине и бытовой электронике.

Принцип действия

Пьезоэлектрический эффект заключается в возникновении электрических зарядов на гранях некоторых кристаллических материалов (пьезоэлектриков) при их механической деформации. В датчиках используется прямой пьезоэффект: под действием силы или давления на пьезоэлементе появляется разность потенциалов, пропорциональная величине деформации. Обратный пьезоэффект (деформация под действием электрического поля) применяется в исполнительных устройствах, например, в пьезодвигателях и акустических излучателях.

Электрический заряд, генерируемый пьезоэлементом, пропорционален приложенной силе и площади электродов. Для измерения переменных сил и ускорений датчик подключается к усилителю заряда или напряжения с высоким входным сопротивлением, чтобы минимизировать утечку заряда через цепь.

История

Пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880 году братьями Пьером и Жаком Кюри на кристаллах кварца, турмалина и сегнетовой соли. Первые практические применения появились в начале XX века: кварцевые резонаторы для стабилизации частоты в радиотехнике и гидроакустические преобразователи. В 1940-х годах были синтезированы сегнетоэлектрические керамики, такие как титанат бария и цирконат-титанат свинца (ЦТС), которые значительно превзошли природные кристаллы по чувствительности и технологичности. С 1950-х годов пьезоэлектрические датчики начали массово применяться в авиации, автомобилестроении и промышленной автоматике.

Классификация

Пьезоэлектрические датчики классифицируются по нескольким признакам.

По типу измеряемой величины

Датчики силы — измеряют статические и динамические усилия (например, в динамометрах).
Датчики давления — преобразуют давление газа или жидкости в электрический сигнал (в манометрах, акустических датчиках).
Акселерометры — измеряют ускорение (вибрацию, удар) на основе инерционной массы, воздействующей на пьезоэлемент.
Датчики деформации — фиксируют изгиб или растяжение конструкции.

По конструкции

Сжимаемые — сила приложена перпендикулярно плоскости пьезоэлемента (например, в датчиках давления).
Сдвиговые — деформация происходит по касательной к поверхности (используются в акселерометрах для уменьшения влияния поперечных ускорений).
Изгибные — применяются для измерения малых деформаций (в микрофонах, гидрофонах).

По материалу пьезоэлемента

Кварцевые — высокая стабильность, малая чувствительность, широкий температурный диапазон (до +500 °C). Используются в эталонных и высокоточных датчиках.
Керамические (ЦТС, титанат бария) — высокая чувствительность, низкая стоимость, но меньшая температурная стабильность. Наиболее распространены в промышленности.
Полимерные (поливинилиденфторид, ПВДФ) — гибкие, лёгкие, пригодны для больших площадей. Применяются в медицинских ультразвуковых датчиках и сенсорных панелях.

Устройство и характеристики

Типичный пьезоэлектрический датчик состоит из пьезоэлемента (пластины или диска) с нанесёнными на обе стороны электродами, корпуса, изолятора и контактных выводов. В акселерометрах дополнительно присутствует инерционная масса, прижимающая пьезоэлемент к основанию. Для защиты от внешних воздействий датчик герметизируется.

Основные характеристики:

Чувствительность — отношение выходного сигнала (заряда или напряжения) к измеряемой величине (например, пКл/Н или мВ/g).
Диапазон измерений — от долей паскаля до тысяч атмосфер (для давления) или от 0,01 g до 100 000 g (для ускорения).
Частотный диапазон — от долей герца до сотен килогерц, ограниченный резонансной частотой пьезоэлемента.
Температурный диапазон — от −200 °C до +500 °C (для кварца) и от −40 °C до +200 °C (для керамики).
Выходное сопротивление — очень высокое (гигаомы), что требует использования усилителей с высоким входным импедансом.

Применение

Пьезоэлектрические датчики широко востребованы в различных отраслях.

Промышленность и машиностроение

Контроль вибрации и ударных нагрузок в двигателях, турбинах, станках.
Измерение давления в гидравлических и пневматических системах.
Динамометрия для измерения усилий резания, прессования.

Авиация и космонавтика

Акселерометры для систем управления полётом, навигации и испытаний.
Датчики давления в топливных и гидравлических магистралях.
Мониторинг вибрации конструкций.

Автомобилестроение

Датчики детонации в двигателях внутреннего сгорания.
Системы контроля давления в шинах (TPMS).
Подушки безопасности (акселерометры для определения столкновения).

Медицина

Ультразвуковые датчики для диагностики (эхокардиография, УЗИ).
Измерители артериального давления (пьезоэлектрические манометры).
Сенсоры для физиотерапевтических аппаратов.

Бытовая электроника

Микрофоны (электретные и пьезоэлектрические).
Сенсорные панели (кнопки, тачпады).
Генераторы звука (пьезоизлучатели, зуммеры).

Научные исследования

Сейсмометры и геофоны для регистрации землетрясений.
Измерение высокочастотных вибраций в материаловедении.
Акустическая эмиссия для контроля целостности конструкций.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

Высокая чувствительность и широкий динамический диапазон.
Возможность работы в экстремальных условиях (высокие температуры, радиация).
Отсутствие подвижных частей (высокая надёжность и долговечность).
Малые габариты и масса.

Недостатки:

Непригодность для измерения статических величин (заряд быстро стекает через утечки).
Высокая стоимость кварцевых датчиков.
Чувствительность к помехам (требуется экранирование и специальные усилители).
Зависимость чувствительности от температуры (особенно у керамики).

Интересные факты

Первый пьезоэлектрический акселерометр был создан в 1930-х годах в США для измерения вибраций самолётов.
Кварцевые датчики используются в эталонных измерителях силы, так как их характеристики почти не меняются со временем.
Пьезоэлектрические датчики применяются в системах зажигания газовых плит и зажигалок — при ударе по пьезоэлементу возникает искра.
В современной сейсмологии пьезоэлектрические геофоны позволяют регистрировать колебания земной коры с амплитудой менее нанометра.

Источники

ГОСТ Р 8.585-2001 «ГСИ. Датчики пьезоэлектрические. Методы и средства поверки».
Кацнельсон Л. Б., Пьезоэлектрические датчики и преобразователи. — М.: Энергия, 1975.
Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1992. — Т. 3.
IEEE Standard on Piezoelectricity, ANSI/IEEE Std 176-1987.
Справочник по пьезоэлектрическим материалам / Под ред. Б. Я. Гуревича. — Л.: Наука, 1982.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →