Co to jest przetwornik piezoelektryczny? Schemat obwodu, działanie i aplikacje

Wypróbuj Nasz Instrument Do Eliminowania Problemów





W naszym codziennym życiu spotykamy różne sytuacje, w których musimy mierzyć wielkości fizyczne, takie jak naprężenia mechaniczne przyłożone do metalu, poziomy temperatury, poziomy ciśnienia itp. Do wszystkich tych zastosowań potrzebujemy urządzenia, które może mierzyć te nieznane wielkości w jednostkach i znane nam kalibracje. Jednym z takich urządzeń, które jest dla nas najbardziej przydatne, jest TRANSDUKTOR . Przetwornik jest urządzeniem elektrycznym, które może przekształcić dowolny rodzaj wielkości fizycznej w postaci proporcjonalnej wielkości elektrycznej, jako napięcie lub prąd elektryczny . Z dużej puli różnych typów przetworników, ten artykuł ma na celu wyjaśnienie przetworniki piezoelektryczne .

Co to jest przetwornik piezoelektryczny?

Plik definicja przetwornika piezoelektrycznego jest przetwornik elektryczny który może konwertować dowolną formę wielkość fizyczna na sygnał elektryczny , które można wykorzystać do pomiaru. Przetwornik elektryczny, który wykorzystuje właściwości materiałów piezoelektrycznych do konwersji wielkości fizycznych na sygnały elektryczne, jest znany jako a przetwornik piezoelektryczny.




Przetwornik piezoelektryczny

Przetwornik piezoelektryczny

Materiały piezoelektryczne wykazują właściwość piezoelektryczność , zgodnie z którym przy przykładaniu dowolnego rodzaju naprężenia lub odkształcenia mechanicznego powstaje napięcie elektryczne proporcjonalne do przyłożonego naprężenia. To wytworzone napięcie elektryczne można zmierzyć za pomocą napięcia urządzenia pomiarowe do obliczenia wartości naprężenia lub odkształcenia przyłożonego do materiału.



Rodzaje materiałów piezoelektrycznych

Niektóre rodzaje materiałów piezoelektrycznych to:

Naturalnie dostępne: Kwarc, sól Rochelle, topaz, minerały z grupy turmalinów i niektóre substancje organiczne, takie jak jedwab, drewno, emalia, kości, włosy, guma, zębina. Sztucznie produkuje materiały piezoelektryczne to polifluorek winylidenu, PVDF lub PVF2, tytanian baru, tytanian ołowiu, tytanian cyrkonianu ołowiu (PZT), niobian potasu, niobian litu, tantalan litu i inne bezołowiowe piezoelektryczne materiały ceramiczne.

Nie wszystkie materiały piezoelektryczne mogą być używane w przetworniki piezoelektryczne . Materiały piezoelektryczne stosowane jako przetworniki muszą spełniać pewne wymagania. Materiały używane do pomiarów powinny mieć stabilność częstotliwości, wysokie wartości wyjściowe, niewrażliwe na skrajne warunki temperatury i wilgotności oraz które mogą być dostępne w różnych kształtach lub powinny być elastyczne, aby można je było wytwarzać w różnych kształtach bez naruszania ich właściwości.


Niestety nie ma materiału piezoelektrycznego, który miałby wszystkie te właściwości. Kwarc jest wysoce stabilnym kryształem, który jest naturalnie dostępny, ale ma małe poziomy wyjściowe. Wolno zmieniające się parametry można mierzyć kwarcem. Sól Rochelle daje najwyższe wartości wyjściowe, ale jest wrażliwa na warunki środowiskowe i nie może być eksploatowana powyżej 1150F.

Przetwornik piezoelektryczny działa

Przetwornik piezoelektryczny działa na zasadzie piezoelektryczności. Powierzchnie z materiału piezoelektrycznego, zwykłego kwarcu, są pokryte cienką warstwą materiału przewodzącego, takiego jak srebro. Po przyłożeniu naprężenia jony w materiale przemieszczają się w kierunku jednej przewodzącej powierzchni, jednocześnie oddalając się od drugiej. Powoduje to generowanie ładunku. Ładunek ten służy do kalibracji naprężenia. Biegunowość wytworzonego ładunku zależy od kierunku przyłożonego naprężenia. Stres można przyłożyć w dwóch postaciach jako C wszechobecny stres i Naprężenie rozciągające jak pokazano niżej.

Działanie przetwornika piezoelektrycznego

Działanie przetwornika piezoelektrycznego

Formuła przetwornika piezoelektrycznego

Orientacja kryształu wpływa również na ilość generowanego napięcia. Kryształ w przetworniku można ułożyć w położenie wzdłużne lub położenie poprzeczne .

Formuła przetwornika piezoelektrycznego

Formuła przetwornika piezoelektrycznego

Efekt podłużny i poprzeczny

W efekcie podłużnym generowany ładunek jest określony przez

Q = F * d

Gdzie F jest przyłożoną siłą, d jest współczynnikiem piezoelektrycznym kryształu.

Współczynnik piezoelektryczny d kryształu kwarcu wynosi około 2,3 * 10-12C / N.

W efekcie poprzecznym generowany ładunek jest określony przez

Q = F * d * (b / a)

Gdy stosunek b / a jest większy niż 1, ładunek wytwarzany przez układ poprzeczny będzie większy niż wielkość generowana przez układ wzdłużny.

Obwód przetwornika piezoelektrycznego

Działanie podstawowego przetwornika piezoelektrycznego można wyjaśnić na poniższym rysunku.

Obwód przetwornika piezoelektrycznego

Obwód przetwornika piezoelektrycznego

Tutaj kryształ kwarcu pokryty srebrem jest używany jako czujnik do generowania napięcia po przyłożeniu do niego naprężenia. Wzmacniacz ładunku służy do pomiaru wytworzonego ładunku bez rozpraszania. Aby pobierać bardzo mały prąd, rezystancja R1 jest bardzo wysoka. Pojemność przewodu doprowadzającego łączącego przetwornik i czujnik piezoelektryczny wpływa również na kalibrację. Dlatego wzmacniacz ładunku jest zwykle umieszczony bardzo blisko czujnika.

Tak więc w przetworniku piezoelektrycznym po przyłożeniu naprężenia mechanicznego generowane jest proporcjonalne napięcie elektryczne, które jest wzmacniane za pomocą wzmacniacza ładunku i wykorzystywane do kalibracji zastosowanego naprężenia.

Ultradźwiękowy przetwornik piezoelektryczny

Ultradźwiękowy przetwornik piezoelektryczny działa na zasadzie odwrotnej efekt piezoelektryczny . W tym efekcie, gdy elektryczność jest doprowadzana do materiału piezoelektrycznego, ulega on fizycznym odkształceniom proporcjonalnym do przyłożonego ładunku. Obwód przetwornik ultradźwiękowy podano poniżej.

Ultradźwiękowy przetwornik piezoelektryczny

Ultradźwiękowy przetwornik piezoelektryczny

Tutaj kryształ kwarcu jest umieszczony między dwiema metalowymi płytami A i B, które są podłączone do pierwotnego L3 transformatora. Część pierwotna transformatora jest sprzężona indukcyjnie z oscylator elektroniczny . Cewki L1 i L2, które tworzą wtórny transformator, są podłączone do oscylatora elektronicznego.

Gdy akumulator jest włączony, oscylator wytwarza impulsy napięcia przemiennego o wysokiej częstotliwości o częstotliwości f = 1 ÷ (2π√L1C1). Z tego powodu w L3 indukowana jest e.m.f, która jest przenoszona do kryształu kwarcu przez płytki A i B. Z powodu odwrotnego efektu piezoelektrycznego kryształ zaczyna naprzemiennie kurczyć się i rozszerzać, tworząc w ten sposób wibracje mechaniczne.

Rezonans ma miejsce, gdy częstotliwość oscylator elektroniczny jest równa naturalnej częstotliwości kwarcu. W tym momencie powstaje kwarc podłużne fale ultradźwiękowe o dużej amplitudzie.

Zastosowania przetworników piezoelektrycznych

  • Ponieważ materiały piezoelektryczne nie mogą mierzyć wartości statycznych, są one używane głównie do pomiaru chropowatości powierzchni, w akcelerometrach i jako czujnik drgań.
  • Są używane w sejsmografy do pomiaru drgań rakiet.
  • W tensometrach do pomiaru siły, naprężeń, drgań itp.
  • Używany w przemyśle motoryzacyjnym do pomiaru detonacji w silnikach.
  • Są one używane w obrazowanie ultradźwiękowe w zastosowaniach medycznych.

Zalety i ograniczenia przetworników piezoelektrycznych

Zalety i ograniczenia przetworników piezoelektrycznych są następujące.

Zalety

  • Są to przetworniki aktywne, tzn. Nie wymagają zewnętrznego zasilania do pracy i dlatego generują się same.
  • Odpowiedź wysokoczęstotliwościowa tych przetworników jest dobrym wyborem dla różnych zastosowań.

Ograniczenia

  • Temperatura i warunki otoczenia mogą wpływać na zachowanie przetwornika.
  • Mogą mierzyć tylko zmieniające się ciśnienie, dlatego przy pomiarze parametrów statycznych są bezużyteczne.

A więc o to chodzi Przetwornik piezoelektryczny , Zasada działania, wzór, obwód z pracą, zalety, ograniczenia, a także zastosowania. Z powyższych informacji wynika, że ​​przetwornik piezoelektryczny ma różne zastosowania, jak omówiliśmy. Do jakiej aplikacji użyłeś przetwornika piezoelektrycznego? Jakie było twoje doświadczenie?