Особенности работы пьезоэлектрических датчиков при линейном нарастании давления
Антипов М.В., Юртов И.В., Утенков А.А., Федосеев А.В., Огородников В.А., Михайлов А.Л.

Received: August 12, 2019

DOI: 10.31857/S0044451020040045

PDF (311.2K)

Электрическая реакция и процессы, происходящие в пьезоэлементах, подвергающихся воздействию импульсного давления, обычно описываются для двух крайних случаев: когда время изменения давления гораздо больше времени пробега звуковой волны через пьезоэлемент, при этом давление во всем пьезоэлементе можно считать одинаковым, - режим тонкого датчика, и при нагружении ударной волной прямоугольной формы, когда фронт ударной волны разделяет пьезоэлемент на сжатую и несжатую зоны, - режим толстого датчика. В первом случае напряжение на пьезоэлементе и возникающие в нем электрические поля прямо зависят от подключаемой электрической нагрузки, а выделяемый заряд пропорционален прикладываемому давлению (в линейной области). Во втором случае генерируемый пьезоэлементом ток пропорционален давлению ударно-волнового нагружения, а поля в объеме пьезоэлемента возникают даже в случае короткого замыкания его электродов. В данной работе рассмотрен случай электрической реакции пьезоэлектриков на воздействие давления, значительно изменяющегося за время, соизмеримое со временем пробега звуковой волны по пьезоэлементу. Такая ситуация возникает, например, когда на пьезодатчик налетает высокоскоростной поток частиц, образующийся при выходе ударной волны на свободную поверхность металлической пластины (пыление) [e20049-1,e20049-2,e20049-3,e20049-4]. Расчеты, проведенные в рамках разработанной математической модели, показали, что при нарастающем давлении на пьезоэлемент в его объеме возникают неоднородные по толщине пьезоэлемента электрические поля, величины которых зависят от скорости нарастания давления, а выделяемый электрический заряд пропорционален среднему давлению в пьезоэлементе. При определенных условиях эти поля могут достигать значений, приводящих к возникновению пробойных явлений в пьезоэлементе и к искажению генерируемых сигналов. Приведены экспериментально наблюдавшиеся случаи проявления пробойных эффектов при воздействии на пьезоэлементы быстро нараставших давлений.