Пьезоэлектрические датчики основаны на пьезоэлектрическом эффекте — явлении, при котором механическое напряжение (деформация) приводит к возникновению электрического заряда. Этот эффект наблюдается в некоторых кристаллических материалах, у которых не возникает центроссимметрии в кристаллической решетке. К основным физическим принципам, лежащим в основе работы пьезоэлектрических датчиков, можно отнести следующее:

Пьезоэлектрический эффект: В определенных кристаллических материалах, при их деформации (например, сжатии или растяжении), происходят смещения положительных и отрицательных зарядов. Это создаёт электрическое поле и приводит к возникновению напряжения.

Кристаллическая структура: Важным аспектом, определяющим пьезоэлектрические свойства, является кристаллическая структура материала. Материалы с ненормальной симметрией кристаллической решетки (например, тандемы из-за вращающейся решетки или асимметричных частей кристаллов) обладают пьезоэлектрическими свойствами. Наиболее известные пьезоэлектрические материалы включают кварц, титанат бария (BaTiO3), полимеры (например, ПВХ и ПТФЭ).

Электрическая поляризация: При механической деформации кристаллическая решетка смещается, что приводит к изменению распределения зарядов в материалах. Это изменение и есть электрическая поляризация.

Зависимость от направления: Пьезоэлектрические свойства зависят от направления приложения механической нагрузки, что связано с анизотропией кристаллических материалов. В некоторых материалах пьезоэлектрические эффекты могут быть сильнее в одном направлении (осевом) по сравнению с другими.

Температура и частота: Пьезоэлектрические свойства также могут изменяться в зависимости от температуры и частоты приложенных нагрузок. При изменении температуры может происходить фазовый переход в материале, что приводит к изменению его электрических и механических свойств.

Таким образом, пьезоэлектрические датчики используются в различных приложениях, таких как сенсоры давления, вибрации, звука и другие системы, включая медицинские устройства и высокоточные измерительные приборы. Выбор конкретного материала и его кристаллической структуры существенно влияет на эффективность и область применения пьезоэлектрических датчиков.