6.3 Пьезоэлектрические сенсоры

Наиболее употребительным видом вольтаических сенсоров являются пьезоэлектрические сенсоры. Об их многочисленных применениях мы уже упоминали при изучении механических и акустических сенсоров. Напомним, что пьезоэффект состоит в том, что механическая деформация пластины из пьезоэлектрика вызывает его дополнительную поляризацию, вследствие чего возникает разность потенциалов между электродами, нанесенными на противоположные грани пластины.

При разработке и применении пьезоэлектрических сенсоров необходимо учитывать два важных обстоятельства. Первое состоит в том, что в окружающей среде всегда есть некоторое количество свободных ионов, которые под действием разности потенциалов перемещаются и оседают на соответствующих электрически заряженных поверхностях пьезоэлектрика.

Электрическая изоляция этих поверхностей одна от другой никогда не бывает идеальной, из-за чего возникают, пусть и очень малые, токи перетекания зарядов. Поэтому разность потенциалов между двумя электродами пьезоэлектрика, возникающая после его поляризации или вследствие деформации, постепенно уменьшается и спустя некоторое время исчезает. В связи с этим пьезоэлектрические сенсоры являются чувствительными лишь к меняющимся со временем деформациям и силам, но не могут применяться для измерения длительно действующих сил и деформаций. Второе важное обстоятельство состоит в том, что пьезоэлектрический эффект зависит от температуры. И это обстоятельство надо обязательно учитывать в сенсорах, предназначенных для прецизионных измерений.

Эти трудности можно обойти, используя пьезоэлемент в режиме пьезоэлектрического резонатора. Дело в том, что всегда наблюдается не только описанный выше прямой, но и обратный пьезоэлектрический эффект: если на противолежащие электроды пьезоэлемента подать напряжение, то пьезоэлемент несколько деформируется (сжимается или растягивается) в поперечном направлении. Когда на электроды пьезоэлемента подаётся переменное напряжение, то в пьезоэлементе возбуждаются механические колебания.

Амплитуда вынужденных механических колебаний зависит не только от амплитуды приложенного переменного напряжения, но и от его частоты. В том случае, когда эта частота совпадает с частотой собственных механических колебаний пьезоэлемента, наблюдается т.н. "электромеханический резонанс": амплитуда возбуждаемых механических колебаний резко возрастает. Благодаря прямому пьезоэлектрическому эффекту при этом резко возрастает и амплитуда электрических колебаний. По этой причине в электрических цепях переменного тока пьезоэлектрический резонатор ведет себя как высокодобротный колебательный контур с добротностью до 10000. Если с помощью положительной обратной связи и, например, транзистора организовать синхронную подкачку энергии, то в пьезоэлектрическом резонаторе возникают и поддерживаются незатухающие электрические и механические колебания на его собственной частоте.

6.4 Датчики Холла

Известным видом вольтаических сенсоров являются также так называемые датчики Холла. Их действие основано на том, что на носители электрического заряда, движущиеся в магнитном поле, действует сила Лоренца. Поэтому, если через пластину проводника или полупроводника пропускать электрический ток, то при наличии внешнего магнитного поля носители электрического заряда под действием силы Лоренца будут отклоняться в направлении, перпендикулярном вектору индукции магнитного поля и направлению тока. Вследствие этого возникает поперечная разность потенциалов, пропорциональная силе тока и величине индукции магнитного поля.