Czujnik piezoelektryczny: obwód, specyfikacje i zastosowania

Czujniki to urządzenia używane do wykrywania lub wykrywania różnych rodzajów wielkości fizycznych w środowisku. Sygnał wejściowy może być światłem, ciepłem, ruchem, wilgocią, ciśnieniem, drganiami itp. Generowany sygnał wyjściowy jest zwykle sygnałem elektrycznym proporcjonalnym do zastosowanego sygnału wejściowego. To wyjście służy do kalibracji wejścia lub sygnał wyjściowy jest przesyłany przez sieć w celu dalszego przetwarzania. W zależności od mierzonego sygnału wejściowego istnieją różne typy czujników. Na bazie rtęci termometr działa jako czujnik temperatury , czujnik tlenu w samochodowym systemie kontroli emisji wykrywa tlen, czujnik foto wykrywa obecność światła widzialnego. W tym artykule opiszemy czujnik piezoelektryczny . Proszę zapoznać się z linkiem, aby dowiedzieć się więcej o efekt piezoelektryczny .

Definicja czujnika piezoelektrycznego

Czujnik działający na zasadzie piezoelektryczność jest znany jako czujnik piezoelektryczny. Gdzie piezoelektryczność jest zjawiskiem gdzie wytwarzana jest energia elektryczna jeśli materiał jest poddawany naprężeniom mechanicznym. Nie wszystkie materiały mają właściwości piezoelektryczne.

Czujnik piezoelektryczny

Istnieją różne rodzaje materiałów piezoelektrycznych. Przykłady materiały piezoelektryczne są naturalnie dostępne monokrystaliczny kwarc, kość itp.… Sztucznie wytwarzane jak ceramika PZT itp…

Działanie czujnika piezoelektrycznego

Zwykle mierzone wielkościami fizycznymi przez czujnik piezoelektryczny to przyspieszenie i ciśnienie. Zarówno czujniki ciśnienia, jak i przyspieszenia działają na tej samej zasadzie piezoelektrycznej, ale główna różnica między nimi polega na sposobie, w jaki siła jest przykładana do ich elementu czujnikowego.

W czujniku ciśnienia cienka membrana jest umieszczana na masywnej podstawie, aby przenieść przyłożoną siłę do element piezoelektryczny . Po przyłożeniu nacisku na tę cienką membranę materiał piezoelektryczny zostaje obciążony i zaczyna wytwarzać napięcie elektryczne. Wytworzone napięcie jest proporcjonalne do wielkości zastosowanego ciśnienia.

W akcelerometry masa sejsmiczna jest przymocowana do elementu kryształowego, aby przenieść przyłożoną siłę na materiały piezoelektryczne. Po zastosowaniu ruchu materiał piezoelektryczny zostaje obciążony masą sejsmiczną zgodnie z Drugie prawo Newtona ruchu. Materiał piezoelektryczny generuje ładunek używany do kalibracji ruchu.

Element kompensacji przyspieszenia jest używany wraz z czujnik ciśnienia ponieważ czujniki te mogą wychwytywać niepożądane wibracje i pokazywać fałszywe odczyty.

Obwód czujnika piezoelektrycznego

Powyżej przedstawiono obwód wewnętrzny czujnika piezoelektrycznego. Rezystancja Ri to rezystancja wewnętrzna lub rezystancja izolatora. Indukcyjność wynika z bezwładności czujnik . Pojemność Ce jest odwrotnie proporcjonalna do sprężystości materiału czujnika. Aby czujnik zadziałał prawidłowo, rezystancja obciążenia i upływu musi być wystarczająco duża, aby zachować niskie częstotliwości. Czujnik można nazwać ciśnieniem transduktor w sygnale elektrycznym. Czujniki są również znane jako przetworniki pierwotne.

Czujnik piezoelektryczny

Specyfikacje czujnika piezoelektrycznego

Niektóre z podstawowych cech czujników piezoelektrycznych to

• • Zakres pomiaru: Zakres ten podlega limitom pomiaru.

• • Czułość S: Stosunek zmiany sygnału wyjściowego ∆y do sygnału, który spowodował zmianę ∆x.
    S = ∆y / ∆x.
  • Niezawodność: To wyjaśnia zdolność czujników do utrzymania charakterystyk w określonych granicach w określonych warunkach operacyjnych.

Poza tym niektóre specyfikacje czujników piezoelektrycznych to próg reakcji, błędy, czas wskazania itp.

• Te czujniki zawierają jako wartość impedancji ≤500Ω.
• Czujniki te działają na ogół w zakresie temperatur od około -20 ° C do + 60 ° C.
• Czujniki te należy przechowywać w temperaturze od -30 ° C do + 70 ° C, aby zapobiec ich degradacji.
• Te czujniki mają bardzo niskie Lutowanie temperatura.
• Czułość czujnika piezoelektrycznego na odkształcenia wynosi 5 V / µƐ.
• Ze względu na dużą elastyczność kwarc jest najbardziej preferowanym materiałem na czujnik piezoelektryczny.

Czujnik piezoelektryczny wykorzystujący Arduino

Ponieważ musimy wiedzieć, czym jest czujnik piezoelektryczny, przyjrzyjmy się prostemu zastosowaniu tego czujnika za pomocą Arduino. Tutaj próbujemy przełączyć diodę LED, gdy czujnik ciśnienia wykryje wystarczającą siłę.

Wymagany sprzęt

• Płytka Arduino .
• Piezoelektryczny czujnik ciśnienia.
• DOPROWADZIŁO
• Rezystor 1 MΩ.

Schemat obwodu:

• Tutaj dodatni przewód czujnika oznaczony czerwonym przewodem jest podłączony do analogowego pinu A0 płyty Arduino, natomiast ujemny przewód oznaczony czarnym przewodem jest podłączony do masy.
• Rezystor 1 MΩ jest podłączony równolegle do elementu piezoelektrycznego, aby ograniczyć napięcie i prąd wytwarzane przez element piezoelektryczny i chronić wejście analogowe przed niepożądanymi wibracjami.
• Anoda LED jest podłączona do cyfrowego pinu D13 Arduino, a katoda jest podłączona do masy.

Schemat obwodu

Pracujący

Wartość progowa 100 jest ustawiona w obwodzie, aby czujnik nie był aktywowany przy drganiach mniejszych niż próg. W ten sposób możemy wyeliminować niepożądane małe wibracje. Gdy napięcie wyjściowe generowane przez czujnik jest większe od wartości progowej dioda LED zmienia swój stan tzn. Jeśli jest w stanie WYSOKI przechodzi w NISKI. Jeśli wartość jest niższa od progu, dioda LED nie zmienia swojego stanu i pozostaje w poprzednim stanie.

Kod

konst int ledPin = 13 // LED podłączony do cyfrowego pinu 13
konst int Czujnik = A0 // Czujnik podłączony do analogowego pinu A0
konst int próg = 100 // Próg jest ustawiony na 100
int sensorReading = 0 // zmienna do przechowywania wartości odczytanej z pinu czujnika
int ledState = NISKA // zmienna używana do przechowywania ostatniego stanu diody LED, do przełączania światła

void setup ()
{
pinMode (ledPin, OUTPUT) // zadeklaruj ledPin jako OUTPUT
}

void loop ()
{
// odczytaj czujnik i zapisz go w zmiennej czujnik
sensorReading = analogRead (czujnik)

// jeśli odczyt czujnika jest większy niż próg:
if (sensorReading> = próg)
{
// przełącz status ledPin:
ledState =! ledState
// zaktualizuj pin LED:
digitalWrite (ledPin, ledState)
opóźnienie (10000) // opóźnienie
}
jeszcze
{
digitalWrite (ledPin, ledState) // początkowy stan diody LED, czyli LOW.
}
}

Zastosowania czujników piezoelektrycznych

• • Stosowane są czujniki piezoelektryczne wykrywanie wstrząsów .

• • Aktywne czujniki piezoelektryczne są stosowane do grubościomierzy, czujników przepływu.

• • Pasywne czujniki piezoelektryczne to mikrofony, akcelerometry, przetworniki muzyczne itp.

• • Czujniki piezoelektryczne są również używane do obrazowania ultradźwiękowego.
  • Czujniki te są używane do pomiarów optycznych, mikro-ruchomych pomiarów, elektroakustyki itp.

Tak więc chodzi o to, co jest czujnik piezoelektryczny , właściwości, specyfikacje, a także proste połączenie czujnika za pomocą płytki Arduino. Te proste w obsłudze czujniki znajdują zastosowanie w różnych aplikacjach. Jak wykorzystałeś te czujniki w swoim projekcie? Jakie było największe wyzwanie, przed którym stanąłeś podczas korzystania z tych czujników?