Какво е пиезоелектричен преобразувател? Схема, работа и приложения

Какво е пиезоелектричен преобразувател? Схема, работа и приложения

В ежедневния си живот се натъкваме на различни ситуации, в които трябва да измерваме физически величини като механично напрежение, приложено върху метала, температурни нива, нива на налягане и т.н. ... За всички тези приложения се нуждаем от устройство, което може да измерва тези неизвестни количества в единици и познати за нас калибрирания. Едно такова устройство, което е най-полезно за нас, е ПРЕДАВАТЕЛ . Преобразувателят е електрическо устройство, което може да преобразува всякакъв вид физическо количество под формата на пропорционално електрическо количество като напрежение или електрически ток . От големия пул от различни видове преобразуватели, тази статия има за цел да обясни за пиезоелектрични преобразуватели .



Какво представлява пиезоелектричният преобразувател?

The дефиниция на пиезоелектричен преобразувател е електрически преобразувател който може да конвертира всяка форма на физическо количество в електрически сигнал , който може да се използва за измерване. Електрически преобразувател, който използва свойства на пиезоелектричните материали за преобразуване на физически величини в електрически сигнали, е известен като a пиезоелектричен преобразувател.


Пиезоелектричен преобразувател

Пиезоелектричен преобразувател





Пиезоелектрическите материали проявяват свойството на пиезоелектричност , според която при прилагане на какъвто и да е вид механично напрежение или деформация се води до генериране на електрическо напрежение, пропорционално на приложеното напрежение. Това произведено електрическо напрежение може да се измери с помощта на напрежение измервателни уреди за изчисляване на стойността на напрежението или деформацията, приложена към материала.

Видове пиезоелектрически материали

Някои от видовете пиезоелектрически материали са:



Естествено достъпни: Кварц, сол на Rochelle, топаз, минерали от групата на турмалина и някои органични вещества като коприна, дърво, емайл, кости, коса, каучук, дентин. Изкуствено произвежда пиезоелектрични материали са поливинилиден дифлуорид, PVDF или PVF2, бариев титанат, оловен титанат, оловен цирконат титанат (PZT), калиев ниобат, литиев ниобат, литиев танталат и друга безоловна пиезоелектрична керамика.

Не всички пиезоелектрични материали могат да бъдат използвани в пиезоелектрични преобразуватели . Има определени изисквания, на които трябва да отговарят пиезоелектрическите материали, които ще се използват като преобразуватели. Материалите, използвани за целите на измерването, трябва да имат стабилност на честотата, високи изходни стойности, нечувствителни към екстремните условия на температура и влажност и които могат да бъдат на разположение в различни форми или да бъдат гъвкави, за да се произвеждат в различни форми, без да се нарушават техните свойства.


За съжаление няма пиезоелектричен материал, който да притежава всички тези свойства. Кварц е изключително стабилен кристал, който е естествено достъпен, но има малки нива на изход. Бавно променящите се параметри могат да се измерват с кварц. Солта на Rochelle дава най-високи изходни стойности, но е чувствителна към условията на околната среда и не може да се използва над 1150F.

Пиезоелектричен преобразувател работи

Пиезоелектричен преобразувател работи с принципа на пиезоелектричността. Лицата на пиезоелектричен материал, обикновен кварц, са покрити с тънък слой от проводящ материал като сребро. Когато напрежението е приложено, йоните в материала се придвижват към една от проводящата повърхност, докато се отдалечават от другата. Това води до генериране на заряд. Този заряд се използва за калибриране на напрежението. Полярността на произведения заряд зависи от посоката на приложеното напрежение. Стресът може да се прилага в две форми като C опресивен стрес и Напрежение при опън както е показано по-долу.

Работа на пиезоелектричен преобразувател

Работа на пиезоелектричен преобразувател

Формула на пиезоелектричен преобразувател

Ориентацията на кристала също влияе върху размера на генерираното напрежение. Кристал в датчик може да бъде подреден надлъжно положение или напречно положение .

Формула на пиезоелектричен преобразувател

Формула на пиезоелектричен преобразувател

Надлъжен и напречен ефект

В надлъжния ефект генерираното зареждане се дава от

Q = F * d

Където F е приложената сила, d е пиезоелектричният коефициент на кристала.

Пиезоелектричният коефициент d на кварцовия кристал е около 2,3 * 10-12C / N.

При напречния ефект генерираният заряд се дава от

Q = F * d * (б / а)

Когато съотношението b / a е по-голямо от 1, зарядът, произведен чрез напречно разположение, ще бъде по-голям от количеството, генерирано от надлъжно разположение.

Пиезоелектрична схема на преобразувателя

Работата на основен пиезоелектричен преобразувател може да се обясни с фигурата по-долу.

Пиезоелектрична схема на преобразувателя

Пиезоелектрична схема на преобразувателя

Тук кварцовият кристал, покрит със сребро, се използва като сензор за генериране на напрежение, когато върху него е приложено напрежение. Усилвател на заряд се използва за измерване на произведения заряд без разсейване. За изтегляне на много нисък ток съпротивлението R1 е много високо. Капацитетът на оловния проводник, който свързва датчика и пиезоелектричен сензор също влияе върху калибрирането. Така че усилвателят на заряд обикновено се поставя много близо до сензора.

Така че в пиезоелектричен преобразувател, когато се прилага механично напрежение, се генерира пропорционално електрическо напрежение, което се усилва с помощта на усилвател на заряда и се използва за калибриране на приложеното напрежение.

Пиезоелектричен ултразвуков преобразувател

Ултразвуковият пиезоелектричен преобразувател работи на принципа на обратното пиезоелектричен ефект . В този ефект, когато електричеството се прилага към пиезоелектричен материал, той претърпява физически деформации, пропорционални на приложения заряд. Веригата на ултразвуков преобразувател е дадено по-долу.

Ултразвуков пиезоелектричен преобразувател

Ултразвуков пиезоелектричен преобразувател

Ето, кварцов кристал се поставя между две метални пластини A и B, които са свързани към първичния L3 на трансформатора. Първичната част на трансформатора е индуктивно свързана към електронен генератор . Намотките L1 и L2, които образуват вторични елементи на трансформатора, са свързани към електронния генератор.

Когато батерията е включена, генераторът произвежда високочестотни променливи импулси на напрежение с честота f = 1 ÷ (2π√L1C1). Поради това в L3 се индуцира e.m.f, който се прехвърля към кварцовия кристал през плочи A и B. Поради обратния пиезоелектричен ефект кристалът започва да се свива и разширява алтернативно, като по този начин създава механични вибрации.

Резонансът се осъществява, когато честотата на електронен генератор е равна на естествената честота на кварца. В този момент произвежда кварц надлъжни ултразвукови вълни с голяма амплитуда.

Приложения за пиезоелектрични преобразуватели

  • Тъй като пиезоелектричните материали не могат да измерват статични стойности, те се използват предимно за измерване на грапавостта на повърхността, в акселерометрите и като вибрационен пикап.
  • Те се използват в сеизмографи за измерване на вибрациите в ракетите.
  • В тензодатчици за измерване на сила, напрежение, вибрации и др ...
  • Използва се от автомобилната индустрия за измерване на детонации в двигатели.
  • Те се използват в ултразвуково изображение в медицински приложения.

Предимства и ограничения на пиезоелектрическите преобразуватели

Предимствата и ограниченията на пиезоелектрическите преобразуватели включват следното.

Предимства

  • Това са активни преобразуватели, т.е. те не изискват външно захранване за работа и следователно се генерират самостоятелно.
  • Високочестотната характеристика на тези преобразуватели прави добър избор за различни приложения.

Ограничения

  • Температурата и условията на околната среда могат да повлияят на поведението на датчика.
  • Те могат да измерват само променящото се налягане, поради което са безполезни, докато измерват статични параметри.

По този начин става въпрос за всичко Пиезоелектричен преобразувател , Работен принцип, Формула, Верига с работа, Предимства, Ограничения, а също и приложения. От горната информация има различни приложения на пиезоелектричния преобразувател, както вече обсъждахме. За кое приложение сте използвали пиезоелектричния преобразувател? Как беше вашият опит?