Пьезоэлектрические датчики давления: устройство и применение¶

Пьезоэлектрический датчик давления — это измерительное устройство, преобразующее механическое давление в электрический сигнал за счёт прямого пьезоэлектрического эффекта, возникающего в кристаллических материалах при их деформации. Относится к классу генераторных (пассивных) первичных преобразователей: источником энергии служит сама измеряемая величина, а не внешний источник питания. Применяется преимущественно для измерения быстро меняющихся, динамических и импульсных давлений.

¶Физический принцип

В основе работы лежит прямой пьезоэлектрический эффект, открытый братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году: при сжатии или растяжении кристалла на его гранях возникает электрический заряд, пропорциональный приложенной силе. Величина заряда описывается соотношением Q = d·F, где d — пьезоэлектрический модуль материала, F — усилие. Поскольку заряд пропорционален силе, а сила — произведению давления на площадь мембраны, выходной сигнал оказывается связанным с давлением линейной зависимостью.

Ключевая особенность — датчик реагирует только на изменение давления. Статическое давление заряд не создаёт: он стекает через входное сопротивление усилителя. Поэтому пьезоэлектрические преобразователи непригодны для длительного измерения постоянного давления.

¶Устройство

Типовая конструкция включает:

• Чувствительный элемент — пластина или диск из пьезокерамики (титанат бария, цирконат-титанат свинца — ЦТС) либо монокристалла (кварц, турмалин, ниобат лития).
• Мембрану, передающую давление среды на пьезоэлемент.
• Электроды и токосъёмники, снимающие заряд с граней кристалла.
• Корпус из нержавеющей стали, защищающий элемент от среды и помех.
• Согласующий усилитель заряда, преобразующий высокоимпедансный сигнал в низкоимпедансное напряжение.

Различают две схемы нагружения: сжатие (продольный эффект) и сдвиг (поперечный эффект). Сдвиговые конструкции менее чувствительны к температуре и деформациям корпуса.

¶Характеристики

Достоинства: высокая жёсткость, широкий частотный и динамический диапазон, малые габариты, работа без питания. Недостатки: невозможность измерения статики, чувствительность к температуре и вибрациям, необходимость усилителя заряда.

¶Применение

• Измерение давления в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания.
• Авиационная и ракетная техника: датчики ударных волн, акустических нагрузок.
• Гидроакустика и ультразвуковая дефектоскопия.
• Медицина: тонометры, датчики пульса, диагностическая аппаратура.
• Промышленная автоматика: контроль пульсаций в гидро- и пневмосистемах.
• Баллистика и испытания взрывчатых веществ.

В бытовой технике, автомобильных датчиках давления топлива и шин чаще применяют тензорезистивные и ёмкостные преобразователи, поскольку там требуется измерение статического давления.

¶Разновидности

По типу измеряемой величины выделяют датчики абсолютного, избыточного и дифференциального давления. По конструктивному исполнению — мембранные, сдвиговые, турбинные. Отдельную группу образуют высокотемпературные кварцевые преобразователи для газотурбинных установок.