V našem každodenním životě se setkáváme s různými situacemi, kdy musíme měřit fyzikální veličiny, jako je mechanické namáhání působící na kov, teplotní hladiny, tlakové úrovně atd. ... Pro všechny tyto aplikace potřebujeme zařízení, které dokáže měřit tato neznámá množství v jednotkách a nám známé kalibrace. Jedním z takových zařízení, které je pro nás nejužitečnější, je PŘEVODNÍK . Převodník je elektrické zařízení, které dokáže převést jakýkoli typ fyzikální veličiny ve formě proporcionální elektrické veličiny buď jako napětí nebo elektrický proud . Z velké skupiny různých typů snímačů si tento článek klade za cíl vysvětlit piezoelektrické měniče .

Co je piezoelektrický snímač?

The definice piezoelektrického měniče je elektrický převodník který může převést jakoukoli formu fyzikální veličina do elektrického signálu , které lze použít k měření. Elektrický měnič, který využívá vlastnosti piezoelektrických materiálů pro převod fyzikálních veličin na elektrické signály, je známý jako piezoelektrický měnič.

Piezoelektrický měnič

Piezoelektrické materiály vykazují vlastnost piezoelektřina , podle kterého při aplikaci jakéhokoli druhu mechanického namáhání nebo přetvoření dochází ke generování elektrického napětí úměrného aplikovanému namáhání. Takto vyrobené elektrické napětí lze měřit pomocí napětí měřící nástroje pro výpočet hodnoty napětí nebo přetvoření aplikovaného na materiál.

Druhy piezoelektrických materiálů

Některé z typů piezoelektrických materiálů jsou:

Přirozeně dostupné: Křemen, Rochellova sůl, Topaz, minerály skupiny turmalínů a některé organické látky jako hedvábí, dřevo, smalt, kosti, vlasy, guma, dentin. Uměle vyrábí piezoelektrické materiály jsou polyvinyliden difluorid, PVDF nebo PVF2, titaničitan barnatý, titaničitan olovnatý, titaničitan zirkoničitý (PZT), niobát draselný, niobát lithný, tantalát lithný a další bezolovnatá piezoelektrická keramika.

Nelze použít všechny piezoelektrické materiály piezoelektrické měniče . Existují určité požadavky, které musí splňovat piezoelektrické materiály, které mají být použity jako snímače. Materiály používané pro účely měření by měly mít frekvenční stabilitu, vysoké výstupní hodnoty, necitlivé na extrémní teplotní a vlhkostní podmínky a které mohou být k dispozici v různých tvarech nebo by měly být flexibilní, aby mohly být vyráběny do různých tvarů bez narušení jejich vlastností.

Bohužel neexistuje žádný piezoelektrický materiál, který by měl všechny tyto vlastnosti. Křemen je vysoce stabilní krystal, který je přirozeně dostupný, ale má malé výstupní úrovně. Pomalu se měnící parametry lze měřit pomocí křemene. Rochellova sůl poskytuje nejvyšší výstupní hodnoty, ale je citlivá na podmínky prostředí a nelze ji provozovat nad 1150F.

Piezoelektrický převodník pracuje

Piezoelektrický měnič pracuje na principu piezoelektřiny. Čela piezoelektrického materiálu, obvykle křemene, jsou potažena tenkou vrstvou vodivého materiálu, jako je stříbro. Když působí napětí, ionty v materiálu se pohybují směrem k jednomu z vodivých povrchů, zatímco se pohybují od druhého. To má za následek generování náboje. Tento náboj se používá pro kalibraci napětí. Polarita produkovaného náboje závisí na směru aplikovaného napětí. Stres lze aplikovat ve dvou formách jako C. ompresivní stres a Napětí v tahu Jak je ukázáno níže.

Práce s piezoelektrickým měničem

Vzorec piezoelektrického snímače

Orientace krystalu také ovlivňuje množství generovaného napětí. Krystal v měniči lze zařídit podélná poloha nebo příčná poloha .

Vzorec piezoelektrického snímače

“co je elektrolytický kondenzátor ”

Podélný a příčný účinek

V podélném jevu je generovaný náboj dán vztahem

Q = F * d

Kde F je aplikovaná síla, d je piezoelektrický koeficient krystalu.

Piezoelektrický koeficient d křemenného krystalu je kolem 2,3 * 10^-12C / N.

V příčném jevu je generovaný náboj dán vztahem

Q = F * d * (b / a)

Když je poměr b / a větší než 1, bude náboj produkovaný příčným uspořádáním větší než množství generované podélným uspořádáním.

Obvod piezoelektrického měniče

Fungování základního piezoelektrického měniče lze vysvětlit na následujícím obrázku.

Obvod piezoelektrického měniče

Zde se křemenný krystal potažený stříbrem používá jako senzor pro generování napětí při působení napětí. Nabíjecí zesilovač se používá k měření produkovaného náboje bez rozptylu. Pro odběr velmi malého proudu je odpor R1 velmi vysoký. Kapacita olověného vodiče, který spojuje převodník a piezoelektrický snímač ovlivňuje také kalibraci. Zesilovač náboje je tedy obvykle umístěn velmi blízko senzoru.

Takže v piezoelektrickém převodníku, když je aplikováno mechanické napětí, je generováno proporcionální elektrické napětí, které je zesíleno pomocí nábojového zesilovače a použito pro kalibraci aplikovaného napětí.

Piezoelektrický ultrazvukový měnič

Ultrazvukový piezoelektrický měnič pracuje na principu konverze piezoelektrický jev . V tomto smyslu, když je elektřina aplikována na piezoelektrický materiál, podléhá fyzickým deformacím úměrným aplikovanému náboji. Obvod ultrazvukový měnič je uveden níže.

Ultrazvukový piezoelektrický měnič

Tady je křemenný krystal je umístěn mezi dvěma kovovými deskami A a B, které jsou připojeny k primární L3 transformátoru. Primární část transformátoru je indukčně připojena k elektronický oscilátor . Cívky L1 a L2, které tvoří sekundární transformátor, jsou připojeny k elektronickému oscilátoru.

Když je baterie ZAPNUTÁ, oscilátor produkuje vysokofrekvenční střídavé napěťové impulzy s frekvencí f = 1 ÷ (2π√L1C1). Díky tomu je v L3 indukován e.m.f, který je přenášen do křemenného krystalu deskami A a B. Kvůli konverznímu piezoelektrickému jevu se krystal začne alternativně smršťovat a rozpínat, čímž vytváří mechanické vibrace.

K rezonanci dochází, když frekvence elektronický oscilátor se rovná přirozené frekvenci křemene. V tomto okamžiku se vyrábí křemen podélné ultrazvukové vlny velké amplitudy.

Aplikace piezoelektrických snímačů

Protože piezoelektrické materiály nemohou měřit statické hodnoty, používají se primárně k měření drsnosti povrchu, v akcelerometrech a jako snímač vibrací.
Používají se v seismografy k měření vibrací v raketách.
V tenzometrech k měření síly, napětí, vibrací atd.
Používá se v automobilovém průmyslu k měření detonací v motorech.
Ty se používají v ultrazvukové zobrazování v lékařských aplikacích.

Výhody a omezení piezoelektrických snímačů

Mezi výhody a omezení piezoelektrických měničů patří následující.

Výhody

Jedná se o aktivní měnič, tj. Nevyžadují pro práci externí napájení, a proto se generují samy.
Vysokofrekvenční odezva těchto snímačů je dobrou volbou pro různé aplikace.

Omezení

Teplota a podmínky prostředí mohou ovlivnit chování snímače.
Mohou měřit pouze měnící se tlak, a proto jsou při měření statických parametrů k ničemu.

O toto tedy jde Piezoelektrický měnič , Princip fungování, vzorec, obvod s fungováním, výhody, omezení a také aplikace. Z výše uvedených informací existují různé aplikace piezoelektrického měniče, jak jsme diskutovali. Pro jakou aplikaci jste použili piezoelektrický měnič? Jaká byla vaše zkušenost?