Пьезоэлектрические датчики применяются для измерения давления, силы, ускорения. На рис. 1.17 показано устройство пьезоэлектрического датчика давления с двумя кварцевыми пластинами. Измеряемое давление действует на мембрану 1, представляющую собой дно корпуса датчика. Кварцевые пластины 2 зажаты между металлическими прокладками 3. Средняя прокладка 3 соединена с выводом 4, проходящим через экранированную втулку 5 из изоляционного материала. Крышка 6 соединяется с корпусом и через шарик 7 передает давление пластинам, благодаря чему измеряемое давление распределяется по поверхности кварцевых пластин более равномерно. Кварцевые пластины обычно расположены таким образом, что в из-мерительную схему подается отрицательный потенциал. Положительный потенциал подается на корпус датчика. Для уменьшения утечки зарядов необходима очень качественная изоляция. С этой же целью поверхность кварцевых пластин тщательно полируют. Использование двух (а иногда и больше) пластин повышает выходную ЭДС, поскольку выходные сигналы пластин складываются.
Рис. 1.17 Пьезоэлектрический датчик давления.
На рис. 1.17 показан пьезоэлектрический датчик ускорения, используемый в виброизмерительной аппаратуре. Пьезоэлемент 1 из титаната бария расположен в корпусе прибора 2 между инерционной массой 3 и подпятником 4. Для увеличения силы, действующей на пьезоэлемент при ускорениях, инерционная масса имеет относительно большие размеры и изготовлена из вольфрама. Пакет из инерционной массы 3, пьезоэлемента 7 и подпятника 4 прижат к основанию корпуса гайкой 5 через сферическую изоляционную прокладку, пружинную шайбу и контактную пластину. Вывод сигнала выполнен с помощью специального антивибрационного кабеля.
Датчик измеряет ускорения от 0,2 до 200g. Коэффициент преобразования порядка 8 мВ на 1g. Минимальная частота виброускорений 5 Гц. автоматика телемеханика датчик светодиод
При измерении высокочастотных (быстроизменяющихся) ударных нагрузок и ускорений пьезоэлектрические датчики имеют преимущество перед датчиками других типов. Так как у них отсутствует инерционность.
Рис.1.18 Пьезоэлектрический датчик ускорения
1) величина заряда:
,
где Ко – пьезоэлектрическая постоянная (модуль), (К/Н);
Fx – усилие, направленное вдоль электрической оси, (Н).
2) емкость одной пластины:
,
где Со - емкость одной пластины, (пФ);
- относительная диэлектрическая проницаемость;
D - диаметр пластины (диска);
a и b - стороны пластины (прямоугольника);
d - толщина пластины.
3) напряжение между обкладками:
,
где Свх - емкость измеряемой цепи, (пФ);
n - количество пластин.
4) чувствительность датчика:
,
где Sд – чувствительность датчика, (В/Н).
Пример расчета:
Исходные данные: Материал – Кварц,
= 4,5 * 10-11, Ko = 2,5 * 10-12 К/Н;
D = 1 см = 1 * 10-2 м;
d = 1 мм = 1 * 10-3 м;
Fx = 15 Н;
Cвx = 17 пФ;
n = 1.
Решение:
1) qx = 2,5 * 10-12 * 15 = 37,5 * 10-12 (k);
2) 
;
3) 
(В);
4) 
.
Задание: определить параметры пьезоэлектрического датчика, выполненного в виде прямоугольника (диска) со сторонами a и b (диаметр D), толщиной d, с параллельно соединенными пластинами в количестве “n” штук.
Исходные данные взять из таблицы 1, согласно варианту.
Таблица 1- Исходные данные для определения параметров пьезоэлектрического датчика.
| № варианта | Материал | * 10-11
| Ko * 10-12 К/Н | а*b, (см2) D, (см) | d (мм) | Fx (Н) | Свх (пФ) | n (шт) |
| Кварц | 4,5 | 2,7 | D=1 | 16,8 | ||||
| сегн. Соль | 2 х 1 | 13,1 | ||||||
| Кварц | 4,5 | 2,7 | 1 х 1 | |||||
| тит. Бария | 2 х 2 | |||||||
| тит. Бария | D=1 |
Произвести расчет
qх = _______________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
Cо = _______________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
U = _______________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
Sд = _______________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
Результаты расчета свести в таблицу 2.
Таблица 2- Результаты расчета.
| qx, К/Н | Со, пФ | U, В | Sд, В/Н |