Пиезоелектричен сензор: схема, спецификации и приложения

Сензори са устройства, използвани за откриване или усещане на различните видове физически величини от околната среда. Входът може да бъде светлина, топлина, движение, влага, налягане, вибрации и т.н. ... Генерираният изход обикновено е електрически сигнал, пропорционален на приложения вход. Този изход се използва за калибриране на входа или изходният сигнал се предава по мрежа за по-нататъшна обработка. Въз основа на входа, който трябва да се измери, има различни видове сензори. На основата на живак термометър действа като a температурен сензор , Сензор за кислород в автомобила система за контрол на емисиите открива кислород, Фото сензорът открива наличието на видима светлина. В тази статия бихме описали пиезоелектричен сензор . Моля, вижте връзката, за да научите повече за пиезоелектричен ефект .

Определение на пиезоелектричен сензор

Сензор, който работи на принципа на пиезоелектричност е известен като пиезоелектричен сензор. Където пиезоелектричеството е явление, където генерира се електричество ако върху материал е приложено механично напрежение. Не всички материали имат пиезоелектрически характеристики.

Пиезоелектричен сензор

Съществуват различни видове пиезоелектрически материали. Примери за пиезоелектрични материали са естествено налични монокристални кварци, кости и т.н. ... Изкуствено произведени като PZT керамика и др.

Работа на пиезоелектричен сензор

Често измерваните физически величини от пиезоелектричния сензор са ускорение и налягане. И датчиците за налягане и ускорение работят на един и същ принцип на пиезоелектричността, но основната разлика между тях е начинът, по който силата се прилага към техния сензорен елемент.

В сензора за налягане върху масивна основа се поставя тънка мембрана, за да се пренесе приложената сила към пиезоелектричен елемент . При прилагане на натиск върху тази тънка мембрана, пиезоелектричният материал се зарежда и започва да генерира електрическо напрежение. Произвежданото напрежение е пропорционално на размера на приложеното налягане.

В акселерометри , сеизмичната маса е прикрепена към кристалния елемент, за да пренесе приложената сила върху пиезоелектрическите материали. Когато се прилага движение, сеизмичното масово натоварване е пиезоелектричният материал съгласно Вторият закон на Нютон на движение. Пиезоелектричният материал генерира заряд, използван за калибриране на движението.

Използва се елемент за компенсация на ускорението заедно с a сензор за налягане тъй като тези сензори могат да улавят нежелани вибрации и да показват фалшиви показания.

Пиезоелектрична схема на сензора

По-горе е дадена вътрешна верига на пиезоелектричен сензор. Съпротивлението Ri е вътрешното съпротивление или съпротивлението на изолатора. Индуктивността се дължи на инерцията на сензора . Капацитетът Ce е обратно пропорционален на еластичността на материала на сензора. За правилната реакция на сензора, съпротивлението на натоварване и течове трябва да бъде достатъчно голямо, така че да се запазят ниските честоти. Сензор може да се нарече налягане преобразувател в електрически сигнал. Сензорите са известни още като първични преобразуватели.

Пиезоелектричен сензор

Спецификации на пиезоелектричния сензор

Някои от основните характеристики на пиезоелектрическите сензори са

• • Обхватът на измерване: Този диапазон е обект на граници на измерване.

• • Чувствителност S: Съотношение на промяна в изходния сигнал ∆y към сигнала, причинил промяната ∆x.
    S = ∆y / ∆x.
  • Надеждност: Това отчита способността на сензорите да поддържат характеристиките в определени граници при зададени експлоатационни условия.

Освен тях, някои от спецификациите на пиезоелектрическите сензори са праг на реакция, грешки, време на индикация и т.н. ...

• Тези сензори съдържат като стойност на импеданса ≤500Ω.
• Тези сензори обикновено работят в температурен диапазон от около -20 ° C до + 60 ° C.
• Тези сензори трябва да се поддържат при температура между -30 ° C и + 70 ° C, за да се предотврати тяхното разграждане.
• Тези сензори са много ниски Запояване температура.
• Чувствителността на деформация на пиезоелектрически сензор е 5V / µƐ.
• Поради високата си гъвкавост кварцът е най-предпочитаният материал като пиезоелектричен сензор.

Пиезоелектричен сензор, използващ Arduino

Тъй като трябва да знаем какво представлява пиезоелектричният сензор, нека разгледаме простото приложение на този сензор с помощта на Arduino. Тук се опитваме да превключваме светодиод, когато сензорът за налягане открие достатъчно сила.

Необходим хардуер

• Дъска Arduino .
• Пиезоелектричен сензор за налягане.
• LED
• 1 MΩ резистор.

Електрическа схема:

• Тук положителният проводник на сензора, посочен с червен проводник, е свързан към аналоговия щифт A0 на платката Arduino, докато отрицателният проводник, посочен с черен проводник, е свързан към земята.
• Резистор от 1 MΩ е свързан паралелно към пиезоелемента, за да се ограничи напрежението и тока, произведени от пиезоелектричния елемент и да се защити аналоговият вход от нежелани вибрации.
• LED анодът е свързан към цифровия щифт D13 на Arduino, а катодът е свързан към земята.

Схема на веригата

Работещи

На веригата е зададена прагова стойност от 100, така че сензорът да не се активира за вибрации, по-малки от прага. По този начин можем да премахнем нежеланите малки вибрации. Когато изходното напрежение, генерирано от сензорния елемент, е по-голямо от праговата стойност, светодиодът променя състоянието си, т.е. ако е в състояние HIGH, той отива на LOW. Ако стойността е по-ниска от прага, светодиодът не променя състоянието си и остава в предишното си състояние.

Код

конст инт ledPin = 13 // LED, свързан към цифров щифт 13
конст инт Сензор = A0 // Сензор, свързан към аналогов щифт A0
конст инт prag = 100 // Прагът е зададен на 100
инт sensorReading = 0 // променлива за съхраняване на стойността, отчетена от щифта на сензора
инт ledState = НИСКО // променлива, използвана за съхраняване на последното светодиодно състояние, за превключване на светлината

настройка за празнота ()
{
pinMode (ledPin, OUTPUT) // декларира ledPin като OUTPUT
}

цикъл void ()
{
// четете сензора и го съхранявайте в променливия сензор
sensorReading = analogRead (Sensor)

// ако показанието на сензора е по-голямо от прага:
ако (сензорно четене> = праг)
{
// превключване на състоянието на ledPin:
ledState =! ledState
// актуализиране на LED щифта:
digitalWrite (ledPin, ledState)
забавяне (10000) // забавяне
}
друго
{
digitalWrite (ledPin, ledState) // началното състояние на LED, т.е. LOW.
}
}

Приложения на пиезоелектрични сензори

• • За пиезоелектричните сензори се използват откриване на шок .

• • Активни пиезоелектрични сензори се използват за дебеломер, датчик на потока.

• • Пасивните пиезоелектрични сензори се използват микрофони, акселерометър, музикални пикапи и др ...

• • Пиезоелектричните сензори се използват и за ултразвуково изобразяване.
  • Тези сензори се използват за оптични измервания, микро движещи се измервания, електро акустика и др ...

По този начин това е всичко за това, което е a пиезоелектричен сензор , свойства, спецификации и също така просто свързване на сензора с помощта на платка Arduino. Тези лесни за използване сензори намират място в различни приложения. Как сте използвали тези сензори във вашия проект? Какво беше най-голямото предизвикателство, с което се сблъскахте, докато използвате тези сензори?