Piezoelektrický snímač: Obvod, technické parametre a aplikácie

Senzory sú zariadenia používané na zisťovanie alebo snímanie rôznych druhov fyzikálnych veličín z prostredia. Vstupom môže byť svetlo, teplo, pohyb, vlhkosť, tlak, vibrácie atď. Generovaným výstupom je zvyčajne elektrický signál úmerný použitému vstupu. Tento výstup sa používa na kalibráciu vstupu alebo sa výstupný signál prenáša po sieti na ďalšie spracovanie. Na základe meraného vstupu existujú rôzne typy snímačov. Na báze ortuti teplomer koná ako a teplotný senzor , snímač kyslíka v systéme regulácie emisií automobilov detekuje kyslík, snímač fotografií detekuje prítomnosť viditeľného svetla. V tomto článku by sme opísali piezoelektrický snímač . Ak sa chcete dozvedieť viac informácií o piezoelektrický jav .

Definícia piezoelektrického snímača

Senzor, ktorý pracuje na princípe piezoelektrika je známy ako piezoelektrický snímač. Kde piezoelektrika je jav kde vyrába sa elektrina ak sa na materiál pôsobí mechanickým namáhaním. Nie všetky materiály majú piezoelektrické vlastnosti.

Piezoelektrický snímač

Existujú rôzne druhy piezoelektrických materiálov. Príklady piezoelektrické materiály sú prírodne dostupné monokryštály, kremeň, kosti atď ... Umelo vyrobené ako PZT keramika atď.

Pracovanie piezoelektrického snímača

Bežne merané fyzikálne veličiny piezoelektrickým snímačom sú zrýchlenie a tlak. Senzory tlaku aj zrýchlenia pracujú na rovnakom princípe piezoelektriky, ale hlavným rozdielom medzi nimi je spôsob pôsobenia sily na ich snímací prvok.

V snímači tlaku je na masívnej základni umiestnená tenká membrána na prenos použitej sily na piezoelektrický prvok . Pôsobením tlaku na túto tenkú membránu sa piezoelektrický materiál zaťaží a začne generovať elektrické napätie. Vyrobené napätie je úmerné veľkosti použitého tlaku.

V akcelerometre , je na kryštálový prvok pripojená seizmická hmotnosť na prenos použitej sily na piezoelektrické materiály. Keď sa použije pohyb, seizmické hromadné zaťaženie predstavuje piezoelektrický materiál podľa Newtonov druhý zákon pohybu. Piezoelektrický materiál generuje náboj používaný na kalibráciu pohybu.

Používa sa prvok kompenzácie zrýchlenia spolu s a tlakový snímač pretože tieto snímače dokážu zachytiť nežiaduce vibrácie a vykazovať nesprávne hodnoty.

Obvod piezoelektrického snímača

Vnútorný obvod piezoelektrického snímača je uvedený vyššie. Odpor Ri je vnútorný odpor alebo odpor izolátora. Indukčnosť je spôsobená zotrvačnosťou snímač . Kapacita Ce je nepriamo úmerná pružnosti materiálu snímača. Pre správnu odozvu snímača musí byť záťaž a únikový odpor dostatočne veľké, aby sa zachovali nízke frekvencie. Senzor sa dá nazvať tlak prevodník v elektrickom signáli. Senzory sú tiež známe ako primárne snímače.

Piezoelektrický snímač

Špecifikácie piezoelektrického snímača

Niektoré zo základných charakteristík piezoelektrických senzorov sú

• • Rozsah merania: Na tento rozsah sa vzťahujú limity merania.

• • Citlivosť S: Pomer zmeny výstupného signálu ∆y k signálu, ktorý spôsobil zmenu ∆x.
    S = ∆y / ∆x.
  • Spoľahlivosť: Toto zodpovedá schopnosti senzorov udržiavať charakteristiky v určitých medziach za stanovených prevádzkových podmienok.

Okrem nich sú niektoré zo špecifikácií piezoelektrických snímačov prahovou hodnotou pre reakciu, chyby, dobu indikácie atď.

• Tieto snímače obsahujú hodnotu impedancie ≤ 500 Ω.
• Tieto snímače spravidla pracujú v teplotnom rozmedzí približne -20 ° C až +60 ° C.
• Tieto snímače sa majú uchovávať pri teplote od -30 ° C do +70 ° C, aby sa zabránilo ich znehodnoteniu.
• Tieto snímače majú veľmi nízku hodnotu Spájkovanie teplota.
• Citlivosť piezoelektrického snímača na napätie je 5V / µƐ.
• Kvôli vysokej flexibilite je kremeň najpreferovanejším materiálom ako piezoelektrický snímač.

Piezoelektrický snímač využívajúci Arduino

Pretože musíme vedieť, čo je to piezoelektrický snímač, pozrime sa na jednoduchú aplikáciu tohto snímača pomocou Arduina. Tu sa snažíme prepnúť LED, keď snímač tlaku zaznamená dostatočnú silu.

Vyžaduje sa hardvér

• Doska Arduino .
• Piezoelektrický snímač tlaku.
• LED
• 1 MΩ rezistor.

Schéma zapojenia:

• Tu je kladný vodič snímača označený červeným vodičom pripojený k analógovému kolíku A0 dosky Arduino, zatiaľ čo záporný vodič označený čiernym vodičom je pripojený k zemi.
• Na piezoelektrický prvok je paralelne pripojený rezistor 1 MΩ, aby sa obmedzilo napätie a prúd produkované piezoelektrickým prvkom a aby sa chránil analógový vstup pred nežiaducimi vibráciami.
• LED anóda je pripojená k digitálnemu kolíku D13 Arduina a katóda je pripojená k zemi.

Schéma zapojenia

Pracovne

Pre obvod je nastavená prahová hodnota 100, aby sa senzor neaktivoval pre vibrácie menšie ako prahová hodnota. Týmto môžeme eliminovať nežiaduce malé vibrácie. Keď je výstupné napätie generované senzorovým prvkom väčšie ako prahová hodnota, LED zmení svoj stav, tj. Ak je v stave HIGH, ide do LOW. Ak je hodnota nižšia ako prahová hodnota, LED nezmení svoj stav a zostane v predchádzajúcom stave.

Zákonníka

konšt int ledPin = 13 // LED pripojená k digitálnemu kolíku 13
konšt int Senzor = A0 // Senzor pripojený k analógovému pinu A0
konšt int Prahová hodnota = 100 // Prahová hodnota je nastavená na 100
int sensorReading = 0 // premenná na uloženie hodnoty načítanej z kolíka snímača
int ledState = NÍZKY // premenná použitá na uloženie posledného stavu LED, na prepínanie svetla

nastavenie neplatnosti ()
{
pinMode (ledPin, OUTPUT) // deklaruje ledPin ako OUTPUT
}

neplatná slučka ()
{
// prečítaj senzor a ulož ho do variabilného senzora Čítanie:
sensorReading = analogRead (senzor)

// ak je hodnota snímača vyššia ako prahová hodnota:
if (sensorReading> = prahová hodnota)
{
// prepnúť stav ledPin:
ledState =! ledState
// aktualizácia kolíka LED:
digitalWrite (ledPin, ledState)
oneskorenie (10 000) // oneskorenie
}
inak
{
digitalWrite (ledPin, ledState) // počiatočný stav LED, t.j. LOW.
}
}

Aplikácie piezoelektrických senzorov

• • Piezoelektrické snímače sa používajú pre detekcia otrasov .

• • Aktívne piezoelektrické snímače sa používajú pre hrúbkomery, snímače prietoku.

• • Pasívne piezoelektrické snímače sa používajú mikrofóny, akcelerometre, hudobné snímače atď.

• • Piezoelektrické snímače sa používajú aj na ultrazvukové zobrazovanie.
  • Tieto snímače sa používajú na optické merania, mikroskopické merania, elektroakustiku atď.

Toto je teda všetko o tom, čo je piezoelektrický snímač , vlastnosti, špecifikácie a tiež jednoduché prepojenie snímača pomocou dosky Arduino. Tieto jednoducho použiteľné snímače si nachádzajú miesto v rôznych aplikáciách. Ako ste použili tieto senzory vo svojom projekte? Aká bola najväčšia výzva, ktorej ste čelili pri používaní týchto senzorov?