Пьезоэлектрические материалы

ажнейшими природными материалами, обладающими пьезоэлектрическими свойствами, являются кварц и турмалин. Из названных материалов особое предпочтение отдается кварцу, имеющему удовлетворительные пьезоэлектрические свойства, очень высокое сопротивление, относительно малую температурную зависимость пьезоизоляционных постоянных, высокую механическую прочность и большой модуль упругости.

Второй природный пьезоматериал турмалин в отличие от кварца имеет не две пьезочувствительные плоскости, а только одну оптическую ось Z. Поэтому турмалиновые пластины вырезают так, чтобы их рабочие поверхности были перпендикулярны к оптической оси. Благодаря этой особенности турмалин может применяться для измерения гидростатического давления, что делает его труднозаменимым для измерении давления в жидкости. К недостаткам турмалина следует отнести значительно большую по сравнению с кварцем температурную зависимость пьезомодуля.

Кроме того, он очень редко встречается в природе и имеет высокую стоимость, что существенно ограничивает его практическое применение. Наряду с указанными природными кристаллами в технике находят применение и искусственные кристаллы: сегнетовая соль (KNT), дигидрофосфат аммония (АДР), дигидрофосфат калия (КДР) и др. В отличие от кварца и турмалина пластины из искусственных кристаллов вырезаются под некоторым углом к полярным осям. Сегнетовая соль имеет очень высокий пьезомодуль (примерно в 150 раз больше пьезомодуля кварца).

К сожалению, она имеет низкую механическую прочность, большую зависимость от температуры и влажности. Другие сегнетоэлектрики (КДР и АДР) имеют более высокую механическую прочность, но вследствие значительной температурной зависимости для измерительных целей применяются редко. В последние годы широкое распространение получили сегнетоэлектрики в виде пьезокерамик титаната бария и его композиций, ниобатов, цирконата титаната свинца и др.

Все они по сравнению с кварцем имеют большой пьезомодуль, механически прочны, а кроме того, могут быть изготовлены любой формы и размеров. Та или другая форма (обычно диск, пластина, стержень или цилиндр) обеспечивается соответствующей прессформой. Полученная заготовка металлизируется и поляризуется при соответствующей температуре в электрическом поле. Исторически первым из пьезоэлектриков был открыт и внедрен в практику измерений титанат бария.

К сожалению, наряду с положительными качествами ему присущи и очень серьезные недостатки: изменение пьезомодуля при колебаниях температуры, в процессе хранения, в зависимости от величины приложенной нагрузки, величины шунтирующей емкости и т. д. Так, влияние механического напряжения сказывается в том, что при нагрузке около 8-Ю7 н м2 (8 кгс/мм2) пьезомодуль d33 начинает существенно снижаться и линейность характеристики Q=f(P) нарушается. Емкость, шунтирующая пьезоэлемент (так называемая масштабная емкость), при величине более 0,1 мкф также вызывает заметное уменьшение пьезомодуля.

По этим и другим причинам пьезокерамика из чистого титаната бария (ТБ-1) в ответственных измерениях не применяется. Присадка к титанату бария некоторого количества титаната кальция (двойная композиция типа ТБК-3) или титаната кальция с титанатом свинца (тройная композиция типа БКС) уменьшает температурную и временную зависимости пьезомодуля и диэлектрической проницаемости, однако абсолютные величины их при этом существенно уменьшаются.

Все перечисленные пьезокерамики имеют в настоящее время широкое распространение и используются для самых разнообразных целей. Пьезоэлемент, работающий на изгиб, состоит из двух одинаковых склеенных между собой балок или пластинок, между которыми находится металлическая прокладка. При изгибе такого элемента одна балка удлиняется, а другая укорачивается. При соответствующей поляризации элементов можно получить либо сумму напряжений, либо сумму зарядов.

Пьезокерамические материалы делятся на следующие классы:

1. Материалы для высокочувствительных элементов, работающих в режиме приема и излучения (типа ЦТС-13, ЦТБС-1).

2.Материалы, используемые для технологических аппаратов, в которых преобразователи работают в режиме сильных электрических и механических напряжений (типа ЦТС-23, ЦТС-24).

3. Материалы для УЗП с повышенной стабильностью частотных характеристик в заданном интервале температур (типа ЦТС-22).

4.Материалы для работы при температурах, превышающих 250⁰С и обладающих стабильностью пьезоэлектрических характеристик (типа ЦТС-21). Пьезоматериалы характеризуются различной рабочей температурой, то есть могут работать только до определенной температуры, называемой температурой Кюри. При достижении этой температуры пьезоэффект пропадает и не восстанавливается.

Преимуществом преобразователей, работающих на изгиб, является значительно большая чувствительность по сравнению с работающими на сжатие. В то же время изгибные преобразователи значительно уступают последним по прочности и по диапазону частот. Достоинство такого преобразователя заключается в том, что при приложении усилия в плоскости, перпендикулярной оси керамики, заряд на электродах не появляется, вследствие чего существенно уменьшается погрешность измерений из-за влияния боковых составляющих.

Пьезоэлектрические преобразователи пригодны для измерения силы, давления и других измерений, в которых прямо или косвенно проявляются силовые воздействия. При механическом воздействии на пьезокерамику на ее электродах сообразно с формулой (30) должно возникать то или иное напряжение. Однако в реальных случаях включение преобразователя в схему сопровождается подключением параллельно его собственной емкости С и других емкостей, образованных емкостью соединительного кабеля С" и входной емкостью усилителя Су.