Датчики давления используют пьезоэлектрический эффект для преобразования механического давления в электрический сигнал.
Пьезоэлектрический эффект лежит в основе работы датчиков давления, которые регистрируют изменения приложенной силы через преобразование механической деформации в электрический сигнал. Этот эффект возникает исключительно в кристаллах без центра симметрии и проявляется как прямой пьезоэффект, возникновение электрической поляризации при механическом напряжении. Именно этот механизм позволяет пьезоэлектрическим датчикам обнаруживать давление и силу с высокой чувствительностью и точностью.
В основе пьезоэлектрического эффекта лежит смещение состояния электрического и механического равновесия кристалла диэлектрика под влиянием внешних воздействий. При воздействии механической силы происходит макроскопическая деформация кристалла, сдвиг или сжатие его элементарных ячеек. Эти структурные единицы состоят из ионов и электронных оболочек, которые при изменении расстояний между собой создают дополнительную поляризацию за счёт несимметричного распределения зарядов внутри ячейки. В результате на поверхностях пьезоэлемента появляются связанные заряды и формируется напряжение между электродами элемента[1].
Отсутствие центра симметрии в кристалле является обязательным условием для возникновения пьезоэффекта. Симметрия влияет на возможность суммирования дипольных моментов внутри структуры: только в кристаллах, не имеющих центра симметрии (классы 1, 2, 3, 4, m, mm2, 3m, 4mm, 6mm, 222, 4̅, 422, 4̅2m, 6̅, 622, 6̅m2, 32, 23, m3̅), наблюдается несбалансированное распределение зарядов под нагрузкой[1]. В противном случае возникающие локальные смещения взаимно компенсируются.
Прямой пьезоэффект обеспечивает генерацию электрического напряжения пропорционально механическому воздействию, именно он используется для фиксации изменений давления или силы. Обратный эффект, возникновение механических деформаций под действием электрического поля, технически важен для исполнительных устройств (например, в системах сверхточного позиционирования или пьезодвигателях) и не применяется непосредственно в датчиках давления[1].
При приложении внешней силы пьезоэлемент испытывает упругую деформацию. Полная энергия, сообщенная пьезоэлементу, равна сумме энергии упругой деформации и энергии заряда ёмкости пьезоэлемента. Электрическое напряжение регистрируется на электродах элемента и служит выходным сигналом датчика[1]. Если же электроды замкнуть коротко, напряжение не появляется и обратного эффекта не возникает; жесткость элемента при этом уменьшается из-за отсутствия реакции обратной связи[1].
Пьезодатчики давления состоят из тонких пластин или многослойных структур из пьезокерамики или монокристаллов с соответствующей симметрией. При нагружении давление вызывает изменение формы этих слоев и генерацию измеряемого сигнала[1][4].
Одним из важных параметров является диапазон измерений: типичные пьезодатчики серии Т способны работать от 0 до 600 МПа[4]. Это позволяет использовать их как для контроля малых усилий (вибраций), так и для измерения высоких давлений жидкостей и газов.
Многослойные конструкции обеспечивают наибольшую силу при минимальном перемещении. Однослойные пластины под воздействием электричества изменяются в ширину, длину и толщину, а при растяжении или сжатии генерируют электричество[1].
Для обеспечения стабильности пьезоэффекта материалы предварительно поляризуют сильным электрическим полем во время кристаллизации или при фазовом переходе в точке температуры Кюри при охлаждении для сегнетоэлектриков (например, керамические материалы на основе цирконата-титаната свинца)[1]. Это необходимо для фиксации направления дипольных моментов и предотвращения компенсации возникающих зарядов.
Поликристаллические материалы также могут обладать пьезоэффектом после такой обработки. Монокристаллы обладают выраженным эффектом за счет однородной ориентации структурных единиц.
Пьезодатчики не могут измерять статические давления напрямую из-за утечки заряда со временем: накопленный заряд рассеивается в цепи электроники. Поэтому они чаще применяются для динамических изменений давления или вибраций[2][3]. Для измерения постоянных величин используются другие принципы.
Кроме того, чувствительность зависит от температуры: переход через температуру Кюри приводит к изменению свойств материала вплоть до потери поляризации. Это ограничивает эксплуатационные условия некоторых типов датчиков[1].
При больших нагрузках возможна пластическая деформация материала или разрушение элементов датчика вследствие превышения упругих пределов.
Пьезодатчики широко применяются там, где требуется высокая скорость реакции на изменения нагрузки: измерение вибраций, давления и ускорения в машинах и транспортных средствах; контроль давления в гидравлических системах; мониторинг ударных нагрузок; акустические сенсоры (микрофоны, гидрофоны, сонары)[1][2][3].
В частности, давление газов и жидкостей контролируется с помощью специальных моделей датчиков серии Т с рабочим диапазоном до 600 МПа[4]. Высокая точность обусловлена прямым преобразованием механического воздействия в пропорциональный электрический сигнал без промежуточных механических элементов.
Изменение приложенной силы вызывает упругую деформацию кристалла диэлектрика без центра симметрии. Эта деформация приводит к смещению положительных и отрицательных зарядов внутри элементарной ячейки кристалла таким образом, что возникает макроскопический электрический дипольный момент и связанное с ним поверхностное напряжение на электродах пьезоэлемента.
Сопряжённая обратная связь проявляется как увеличение жёсткости элемента под воздействием возникшего напряжения. В целом это даёт надёжный способ конвертации механической энергии приложенной силы непосредственно в электрическую величину, основу работы современных датчиков давления на базе пьезоэффекта.
Создаётся краткое изложение…