Механическое воздействие, приложенное определенным образом к пьезоэлектрическому кристаллу, порождает в нем электрическое напряжение, что называется прямым пьезоэффектом. И, наоборот, электрическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому кристаллу, вызывает его механическую деформацию, что называется обратным пьезоэффектом.

Пьезоэффект обладает знакочувствительностью, т.е. происходит изменение знака возникающего электрического заряда при замене сжатия растяжением и соответственно изменение знака деформации кристалла при изменении направления электрического поля.

Пьезоэлектричество наблюдается как в монокристаллических материалах, например в кварце, турмалине, ниобате лития, сегнетовой соли и др., так и в поликристаллических материалах, например в титанате бария, титанате свинца, цирконате свинца и др. Поэтому кроме естественных кристаллов для получения пьезо-эффекта используется также и пьезокерамика. Но в отличие от естественных кристаллов пьезокерамика вследствие хаотической ориентации ее электрических диполей сразу после изготовления не обладает пьезоэлектрическими свойствами.

Для приобретения таких свойств ее подвергают так называемой тренировке. Эта тренировка заключается в воздействии на пьезокерамический чувствительный элемент электрического поля в диапазоне от 10 до 30 кВ/см при температуре несколько ниже точки Кюри. После этого такой чувствительный элемент будет вести себя как монокристалл. Преимущество пьезокерамики, заключающееся в том что из нее оказывается возможным изготовлять детали сложной конфигурации, отличающиеся высокой химической стойкостью, при этом сохраняется. Однако керамический материал может и потерять свои пьезоэлектрические свойства, если он подвергается воздействию сильного переменного электрического поля или воздействию постоянного поля, противоположного первоначальному направлению поляризации, или если температура возрастает выше точки Кюри, или если измеряемое механическое воздействие превышает определенный уровень.

Такие элементы применяются для излучения акустических, в том числе ультразвуковых колебаний, а также в пьезоэлектрических реле и в исполнительных элементах автоматических систем, перемещающих зеркала оптических приборов и т.д.

Это так называемые пьезорезонаторы, имеющие максимальный коэффициент преобразования на определенной резонансной частоте и резко уменьшающие этот коэффициент при отклонении от резонансной частоты. Такие пьезоэлектрические преобразователи применяются в качестве резонансных фильтров, пропускающих узкую полосу частот.

Пьезорезонаторы, включенные в цепь положительной обратной связи усилителя, работают в режиме автоколебаний и используются в качестве задающего генератора колебаний. В зависимости от типа используемого кристалла и типа возбуждаемых колебаний пьезорезонаторы служат для выполнения двух различных функций:

• для обеспечения высокостабильной собственной частоты, не зависящей от внешних условий;
• генерации колебаний с управляемой собственной частотой (управляемые пьезорезонаторы).

Управляемые пьезорезонаторы могут быть использованы в частотно-цифровых приборах в качестве преобразователей различных неэлектрических величин, таких как давление, температура, ускорение, в частоту электрических колебаний.

Пьезоэлектрические чувствительные элементы являются основой для наиболее точных преобразователей, используемых для изготовления датчиков давлений, ускорений и сил. В акселерометрах, работающих в условиях больших вибраций, особое значение имеет надежность крепления пьезочувствительных элементов к основанию прибора и инерционной массе. Обычно такое крепление осуществляется с помощью пайки. Высокие требования предъявляются также к кабелю, соединяющему датчик акселерометра с последующими элементами измерительной цепи (с усилителем).

Эти требования таковы:

• большое сопротивление изоляции и ее надежность;
• наличие экранирующей оплетки и малая емкость между проводящей жилой и экранирующей оплеткой;
• гибкость и антивибрационная стойкость.

Для обеспечения симметричности сопротивления связи пьезодатчик обычно выполняется из нечетного числа пластин. Для повышения чувствительности пьезодатчиков их обычно выполняют на основе батареи пьезоэлементов, соединяемых между собой при помощи металлических (фольговых) прокладок.

В пьезоэлектрических преобразователях используют также фольгированную с обеих сторон пьезоэлектрическую пленку. Такую пленку предварительно складывают гармошкой, а после этого подвергают нагреву.

Увеличение чувствительности может быть достигнуто и за счет использования поперечного пьезоэффекта. Однако в этом случае тонкая пластинка, нагружаемая вдоль, может потерять устойчивость.

Для повышения устойчивости применяется жесткая коробчатая конструкция, состоящая из трех вертикальных пластин, у которых внутренние и внешние обкладки соединены между собой. Высокой чувствительностью обладают пьезопреобразователи, работающие на изгиб. Пьезоэлемент, называемый в этом случае биморфным, состоит из двух пластин. При действии изгибающей силы верхняя пьезопластина испытывает растяжение, а нижняя – сжатие, в результате чего на этих пластинах появляются заряды противоположного знака.Благодаря металлическим накладкам и прокладкам соответствующие напряжения выводятся наружу преобразователя, а дальше могут соединяться в зависимости от направления в них положительных осей как параллельно, так и последовательно.

Вместо одной из пьезопластин может использоваться металлическая накладка существенной толщины. Толщина этой металлической пластины для предполагаемой нагрузки выбирается таким образом, чтобы вся пьезопластина оказывалась выше нейтральной линии. Для повышения чувствительности используются также пьезоэлементы, работающие на сдвиг.