4. Электростатические преобразователи

Устройства, содержащие не менее двух поверхностей, между которыми действует постоянное электрическое поле, называютэлектростатическими преобразователями. Электрическое поле создается извне приложенным напряжением или возникает при действии на вход преобразователя измерительного сигнала. Преобразователь содержит два электрода площадью S, параллельно расположенных на расстоянии δ в среде с диэлектрической проницаемостью ε.

ИП с электрической стороны характеризуется напряжением U между пластинами, зарядом q = СU, где С = εS/δ – емкость. Если одна из пластин перемещается, то  с механической  стороны  преобразователь  характеризуется жесткостью подвеса подвижной пластины ω и ее перемещением х. Расчет ведется из обычных физических уравнений.

Выходной величиной электростатического преобразователя может быть: изменение емкости; электростатическая сила притяжения или э.д.с., генерируемая при взаимном перемещении электродов.

Преобразователи, в которых электрическое поле создается приложенным напряжением, составляют группу емкостных преобразователей. К емкостным преобразователям близки по своим характеристикам полупроводниковые диоды, в которых используется зависимость барьерной емкости от обратного напряжения. Такие преобразователи применяются  в качестве элементов с электрически управляемой емкостью и называются варикапами. Другая группа электростатических преобразователей основана на использованиисегнетоэлектриков, т.е. кристаллических диэлектриков, которые при определенных температурных условиях обладают самопроизвольной поляризацией при отсутствии внешних электрических полей. Преобразователи, основанные на использовании нелинейной зависимости емкости от напряжения в сегнетоэлектриках, называются варикондами.

1) Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрические преобразователи, основаны на свойстве, некоторых кристаллов, преобразовывать механические деформации Х в изменение электростатических зарядов q на гранях. Это явление обратимо.

q = f (Х) – функция преобразования пьезоэлектрического преобразователя.

Основным элементом является пластина (или несколько пластин), вырезанных определенным образом из соответствующего кристалла. Пьезоэлектрическими называются кристаллы и текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект), и деформирующиеся в электрическое поле (обратный пьезоэффект). Особенностью пьезоэффекта является знакочувствительность, т.е. изменение знака заряда при замене сжатия растяжением и изменение знака деформации при изменении направления поля. Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие вещества: кварц, турмалин, и искусственно создаваемые: титанит бария, титанит свинца…

Применяются пьезоэлектрические преобразователи в четырех направлениях:

                  а) преобразователи, использующие прямой пьезоэффект (приборы для измерения силы, давления, ускорения);

б) преобразователи, обладающих пироэффектом (ячейка имеет одно или несколько взаимно неуравновешенных полярных направлений), приборы для измерения тепловой радиации;

в) преобразователи, использующие обратный  пьезоэффект (приборы уравновешивания);

г) преобразователи, использующие одновременно прямой и обратный пьезоэффект (пьезорезонаторы, в качестве фильтров).