Существуют два основных типа пьезодатчиков: осевые (механическая сила действует вдоль оси поляризации) и гибкие (механическая сила действует перпендикулярно оси поляризации). В осевых датчиках в качестве пьезоэлементов обычно используются пьезокерамические диски, кольца, цилиндры и пластины. К датчикам данного типа относятся датчики ускорения (акселерометры), датчики давления, датчики детонации, датчики разрушения и т. п. Гибкие датчики строятся на основе последовательных (слои керамики имеют противоположную направленность поляризации) и параллельных (направленность поляризации слоев керамики совпадает) пьезокерамических биморфов. Среди датчиков данного типа наиболее распространены датчики силы и ускорения.
На рис. 1 показана конструкции осевого пьезодатчика давления. Под действием измеряемого давления на внешней и внутренней сторонах пары пьезопластин возникают электрические заряды, причём суммарная ЭДС (между выводом и корпусом) изменяется пропорционально давлению.
Рис. 1. Пьезодатчик давления: Р – измеряемое давление; 1 – пьезопластины; 2 – гайка из диэлектрика; – электрический вывод; 4 – корпус (служащий вторым выводом); 5 – изолятор; 6 – металлический электрод
Электрические сигналы, полученные с помощью датчика, подвергаются последующей обработке и регистрации различными приборами. Датчик такого типа целесообразно применять для измерения быстроменяющегося давления, поскольку при медленном изменении давления возрастает погрешность преобразования из-за «стекания» электрического заряда с пластин на корпус. Основные достоинства датчика – высокие динамические характеристики и способность воспринимать колебания давления в широком диапазоне частот (от десятков Гц до десятков МГц). Он применяется для измерения вибраций и деформаций, в весовых и сортировочных (по весу) устройствах и т.д.
На рис. 2 показана конструкция осевого пьезодатчика ускорения. Пьезоэлемент 1 в виде пьезопластины располагается в корпусе прибора 2 между инерционной массой 3 и подпятником 4. Для увеличения силы, действующей на пьезоэлемент при ускорениях, инерционная масса имеет относительно большие размеры и изготовлена из металла. Пакет из инерционной массы, пьезоэлемента и подпятника прижимается к основанию корпуса гайкой 5 через сферическую пяту 6, изоляционную прокладку, пружинную шайбу и контактную пластину. Датчик такого типа используется в виброизмерительной аппаратуре. Он позволяет измерять ускорения от 0,2 до 200 g, минимальная частота виброускорений составялет 5 Гц.
Рис. 2. Пьезодатчик ускорения: 1 – пьезоэлемент; 2 – корпус; 3 – инерционная масса; 4 – подпятник; 5 – гайка; 6 – пята
Типичная конструкция биморфного пьезодатчика состоит из двух тонких (толщиной ~0,3 мм) склеенных между собой пьезокерамических пластин. На пластины наносятся электроды из серебра или никеля, после чего пластины поляризуются в сильном постоянном электрическом поле, приобретая пьезоэлектрические свойства. Между пластинами может размещаться металлическая прокладка, которая увеличивает механическую прочность, но уменьшает величину перемещения. Механическое усилие вызывает изгиб биморфа, при этом происходит сжатие одной из пластин и растяжение другой, что вызывает в биморфе образование электрического заряда.
Пьезодатчики находят весьма разнообразное применение в автомобилестроении. В состав конструкции автомобилей входят датчики поворота для определения угла положения дроссельной заслонки; датчики детонации для определения момента возникновения детонации в двигателях внутреннего сгорания; датчики уровня заправочных жидкостей; датчики давления для измерения давления в топливном баке с целью определения утечки топлива; датчики подушек безопасности; датчики скорости и т.п.
Важная область применения пьезодатчиков – медицина, где они, в частности, служат для регистрации артериального пульса.
Пьезодатчики используются в охранной сигнализации: реагируя на механические вибрации, они позволяют контролировать разбитие стекла, механическое повреждение дверей и стен зданий, корпусных деталей автомобилей и т.д. Они также играют роль звукоснимателя в электроакустических гитарах: преобразуют механические колебания струн и деки гитары в электрический сигнал.