Struktura

Snímače mechanického namáhání - piezoelektrický jev

Snímače mechanického namáhaní – piezoelektrický jev

Piezoelektrický jev (z řeckého piezein – tlačit) je schopnost krystalu generovat elektrické napětí při jeho deformování, popřípadě jev opačný, kdy se krystal v elektrickém napětí deformuje. Může se vyskytovat pouze u krystalů, které nemají střed symetrie. Nejznámější piezoelektrickou látkou je monokrystalický křemen, křišťál. Poprvé byl piezoelektrický jev pozorován u Seignettovy soli (tetrahydrát vínanu draselno-sodného).

Vznik tohoto jevu vysvětlujeme takto: Deformací se ionty opačných nábojů posunou v krystalové mřížce tak, že elektrická těžiště záporných a kladných iontů, která v nezdeformovaném krystalu souhlasí, se od sebe vzdálí. Na určitých plochách krystalu se objeví elektrický náboj.

Při obráceném piezoelektrickém jevu, při tzv. elektrostrikci, působí vnější elektrické pole posunutí iontů, což vede k deformaci krystalu.

S deformací krystalické mřížky působením vnější síly souvisí i změna měrného elektrického odporu. Tento je označován jako piezorezistivní jev.

Při vysokých teplotách dochází u jakéhokoliv materiálu ke ztrátě piezoelektrických vlastností, protože je narušeno uspořádání iontů. K této změně dochází skokově, podobně jako ke změně skupenství. (Viz fázový přechod.) Přechodová teplota je charakteristická pro daný materiál a nazývá se Curieova teplota. Přímý piezoelektrický jev se využívá např. u zapalovačů, v gramofonových přenoskách, v piezoelektrických mikrofonech. Piezorezistivní jev je využíván například ve snímačích tlaku. Využití obráceného piezoelektrického jevu je založeno na působení elektrického pole na krystal. Je-li pole časově periodicky proměnné s kmitočtem, který odpovídá kmitočtu vlastních elastických kmitů krystalu, vzniká mechnická rezonance. Přímý i obrácený (nepřímý) piezoelektrický jev se využívá například v lékařských sonografech, generujících ultrazvuk. Velmi rozsáhlé možnosti využití pizoelektrického jevu zajistila také oblast digitálních tiskáren. U těchto se momentálně využívá tzv. termo principu (bublejet – hlavním zástupcem je společnost HP) a právě piezo (Epson). Výhodou piezoelektrické technologie je fakt, že u ní nedochází k zahřívání inkoustu, a proto lze tisknout i velmi agresivními médii, jakými jsou solventní (ředidlové) inkousty, UV inkousty (k jejich vytvrzení dochází až po dopadu na tiskové médium pomocí UV záření) a nebo například inkousty, u kterých by při zahřátí v bublejet tiskové hlavě došlo k degradaci - sublimační inkousty.

obrazek

Obr. 1: Krystal křemene, výbrus, piezoelektrický jev

 

Piezoelektrický element tvoří výbrus získaný z krystalu křemene vyřezáním destičky, jejíž hrany budou rovnoběžné s jednotlivými osami krystalu (X - osa elektrická, Y – osa mechanická, Z - osa optická). Piezoelektrický jev závisí na směru deformace vzhledem k osám krystalu. Působí-li síla kolmo na optickou osu, krystal se zelektrizuje a na plochách kolmých na elektrickou osu se objeví elektrický náboj.

Působí-li na křemennou destičku rovnoměrně rozložená síla Fx ve směru elektrické osy X), hovoříme o tzv. podélném piezoelektrickém jevu a velikost náboje Q, vznikajícího na každé stěně, kolmé k elektrické ose, bude

Q = Kp . Fx

kde Kp je piezoelektrická konstanta (piezoelektrický modul) (C N-1). Z rovnice je vidět, že velikost nábojů vznikajících při působení síly podél elektrické osy X nezávisí na rozměrech krystalového výbrusu.

Působí-li na krystal síla Fy ve směru mechanické osy Y, vznikají náboje opět na plochách kolmých na elektrickou osu, avšak směr polarizačního vektoru je záporný a velikost náboje závisí na geometrických rozměrech krystalu. Hovoříme o tzv. příčném piezoelektrickém jevu.

Velikost náboje Q je dána vztahem, kde

b, a jsou rozměry destičky.

Piezoelektrický modul křemene má poměrně malou hodnotu. Jeho předností je ale lineární statická charakteristika, minimální závislost piezoelektrické konstanty na teplotě, velký měřicí rozsah, který je dán mechanickou pevností krystalu a široké teplotní rozmezí (maximálně do 550 °C).

Piezoelektrický snímač je vytvořen z krystalového výbrusu, který je opatřen vodivými elektrodami. Při působení neelektrické veličiny se piezoelektrický snímač chová jako generátor náboje. Protože dielektrikum má značný izolační odpor, představuje zdroj napětí s velkým vnitřním odporem. Náboj, vznikající při působení měřené veličiny, se převádí na napětí je dána vztahem, kde

U - výstupní napětí snímače, C - kapacita čidla včetně přívodů.

Výstupní napětí snímače je poměrně vysoké, přesto není možné k měření použít přímoukazovacího měřicího přístroje. Mezi měřicí přístroj a snímač je nutno zařadit zesilovač s velkým vstupním odporem, jehož hlavním úkolem je impedanční přizpůsobení, méně již vlastní zesílení signálu. Běžně se využívá obvodů realizovaných s tranzistory řízenými elektrickým polem.

Schéma piezoelektrického snímače tlaku je znázorněno na následujícím obrázku.

obrazek

Obr. 2: Schéma uspořádání piezoelektrického snímače tlaku

Piezoelektrické snímače se používají především pro měření dynamických tlaků od frekvencí např. 3 až 5 Hz. Generují měřicí signál s chybou kolem 1 %. Je nutno dbát na to, aby hmotnosti částí, které přenášejí sílu na výbrus byly co nejmenší a aby měly také vlastnosti pružiny s lineární charakteristikou. Pokud se snímají průběhy tlaku tekutin s vysokou teplotou, je nezbytné chlazení snímače. Jejich výhodou jsou miniaturní rozměry, jednoduchost a umožňují měřit v nejširším frekvenčním rozsahu, např. do 100 KHz. Používají se zejména k měření tlaku, tlakové síly, zrychlení, výchylky a mechanického napětí. Příklady využití jako snímačů síly a tlaku ukazuje obrázek.

 

Zdroje

Obrázky:

Logolink