V každodennom živote sa stretávame s rôznymi situáciami, kedy musíme merať fyzikálne veličiny, ako je mechanické namáhanie pôsobiace na kov, teplotné hladiny, tlakové hladiny atď. Pre všetky tieto aplikácie potrebujeme zariadenie, ktoré dokáže tieto neznáme veličiny merať v jednotkách a nám známe kalibrácie. Jedným z takýchto zariadení, ktoré je pre nás najužitočnejšie, je PREVODNÍK . Prevodník je elektrické zariadenie, ktoré dokáže prevádzať akýkoľvek typ fyzikálnej veličiny vo forme proporcionálnej elektrickej veličiny buď ako napätie, alebo elektrický prúd . Z veľkého množstva rôznych typov prevodníkov je cieľom tohto článku vysvetliť asi piezoelektrické meniče .
Čo je piezoelektrický menič?
The definícia piezoelektrického meniča je elektrický prevodník ktoré môžu prevádzať akúkoľvek formu fyzikálna veličina na elektrický signál , ktoré je možné použiť na meranie. Elektrický prevodník, ktorý využíva vlastnosti piezoelektrických materiálov na premenu fyzikálnych veličín na elektrické signály, je známy ako a piezoelektrický menič.
Piezoelektrický menič
Piezoelektrické materiály vykazujú vlastnosť piezoelektrika , podľa ktorého pri aplikácii akéhokoľvek druhu mechanického namáhania alebo namáhania dôjde k vytvoreniu elektrického napätia úmerného aplikovanému namáhaniu. Takto vyrobené elektrické napätie je možné merať pomocou napätia meracie prístroje na výpočet hodnoty napätia alebo pretvorenia aplikovaného na materiál.
Druhy piezoelektrických materiálov
Niektoré z typov piezoelektrických materiálov sú:
Prirodzene dostupné: Kremeň, Rochellova soľ, Topaz, minerály skupiny turmalínov a niektoré organické látky ako hodváb, drevo, smalt, kosti, vlasy, guma, dentín. Umelo vyrába piezoelektrické materiály sú polyvinylidéndifluorid, PVDF alebo PVF2, titaničitan bárnatý, titaničitan olovnatý, titaničitan zirkoničitý olovnatý (PZT), niobát draselný, niobát lítny, tantalát lítny a iná piezoelektrická keramika bez obsahu olova.
Nie všetky piezoelektrické materiály je možné použiť v piezoelektrické meniče . Existujú určité požiadavky, ktoré musia spĺňať piezoelektrické materiály, ktoré sa majú použiť ako snímače. Materiály použité na účely merania by mali mať frekvenčnú stabilitu, vysoké výstupné hodnoty, necitlivé na extrémne teplotné a vlhkostné podmienky a ktoré môžu byť dostupné v rôznych tvaroch alebo by mali byť flexibilné tak, aby sa dali vyrábať do rôznych tvarov bez narušenia ich vlastností.
Bohužiaľ neexistuje žiadny piezoelektrický materiál, ktorý by mal všetky tieto vlastnosti. Kremeň je vysoko stabilný kryštál, ktorý je prirodzene dostupný, ale má malé výstupné úrovne. Pomaly sa meniace parametre je možné merať pomocou kremeňa. Rochellova soľ dáva najvyššie výstupné hodnoty, je však citlivá na podmienky prostredia a nemôže byť prevádzkovaná nad 1150F.
Piezoelektrický prevodník pracuje
Piezoelektrický menič pracuje na princípe piezoelektriky. Líca piezoelektrického materiálu, obvykle kremeňa, sú potiahnuté tenkou vrstvou vodivého materiálu, napríklad striebra. Keď pôsobí napätie, ióny v materiáli sa pohybujú k jednému z vodivých povrchov, zatiaľ čo sa pohybujú od druhého. To má za následok generovanie náboja. Tento náboj sa používa na kalibráciu napätia. Polarita vyprodukovaného náboja závisí od smeru pôsobiaceho napätia. Stres je možné aplikovať v dvoch formách ako C. pôsobiaci stres a Napätie v ťahu ako je uvedené nižšie.
Pracovanie piezoelektrického meniča
Vzorec piezoelektrického meniča
Orientácia kryštálu tiež ovplyvňuje množstvo generovaného napätia. Kryštál v meniči je možné umiestniť do pozdĺžna poloha alebo priečna poloha .
Vzorec piezoelektrického meniča
Pozdĺžny a priečny účinok
Pri pozdĺžnom pôsobení je generovaný náboj daný
Q = F * d
Kde F je použitá sila, d je piezoelektrický koeficient kryštálu.
Piezoelektrický koeficient d kremenného kryštálu je okolo 2,3 * 10-12C / N.
V priečnom účinku je generovaný náboj daný
Q = F * d * (b / a)
Keď je pomer b / a väčší ako 1, náboj produkovaný priečnym usporiadaním bude väčší ako množstvo generované pozdĺžnym usporiadaním.
Obvod piezoelektrického meniča
Fungovanie základného piezoelektrického meniča možno vysvetliť na nasledujúcom obrázku.
Obvod piezoelektrického meniča
Tu sa kremenný kryštál potiahnutý striebrom používa ako snímač na generovanie napätia pri pôsobení napätia. Na meranie vyrobeného náboja bez rozptýlenia sa používa zosilňovač náboja. Na odber veľmi malého prúdu je odpor R1 veľmi vysoký. Kapacita oloveného drôtu, ktorý spája menič a piezoelektrický snímač tiež ovplyvňuje kalibráciu. Zosilňovač náboja je teda zvyčajne umiestnený veľmi blízko snímača.
Takže v piezoelektrickom meniči, keď sa aplikuje mechanické napätie, sa generuje proporcionálne elektrické napätie, ktoré sa zosilňuje pomocou nábojového zosilňovača a používa sa na kalibráciu aplikovaného napätia.
Piezoelektrický ultrazvukový menič
Ultrazvukový piezoelektrický menič pracuje na princípe konverzie piezoelektrický jav . V tomto zmysle, keď sa elektrina aplikuje na piezoelektrický materiál, podlieha fyzickým deformáciám úmerným aplikovanému náboju. Obvod ultrazvukový menič je uvedený nižšie.
Ultrazvukový piezoelektrický menič
Tu je kremenný krištáľ je umiestnená medzi dvoma kovovými doskami A a B, ktoré sú pripojené k primárnej L3 transformátora. Primár transformátora je indukčne spojený s elektronický oscilátor . Cievky L1 a L2, ktoré tvoria sekundárne od transformátora, sú spojené s elektronickým oscilátorom.
Keď je batéria ZAPNUTÁ, oscilátor produkuje vysokofrekvenčné impulzy striedavého napätia s frekvenciou f = 1 ÷ (2π√L1C1). Z tohto dôvodu je indukovaný e.m.f v L3, ktorý je prenášaný do kremenného kryštálu cez platne A a B. Kvôli konverznému piezoelektrickému efektu sa kryštál začne kontraktovať a expandovať alternatívne, čím sa vytvárajú mechanické vibrácie.
Rezonancia nastáva, keď frekvencia elektronický oscilátor sa rovná prirodzenej frekvencii kremeňa. V tomto okamihu sa vyrába kremeň pozdĺžne ultrazvukové vlny veľkej amplitúdy.
Aplikácie piezoelektrických meničov
- Pretože piezoelektrické materiály nemôžu merať statické hodnoty, používajú sa predovšetkým na meranie drsnosti povrchu, v akcelerometroch a na snímanie vibrácií.
- Používajú sa v seizmografy na meranie vibrácií v raketách.
- V tenzometroch na meranie sily, napätia, vibrácií atď.
- Používa sa v automobilovom priemysle na meranie detonácií v motoroch.
- Používajú sa v ultrazvukové zobrazovanie v lekárskych aplikáciách.
Výhody a obmedzenia piezoelektrických meničov
Výhody a obmedzenia piezoelektrických meničov zahŕňajú nasledujúce.
Výhody
- Jedná sa o aktívny prevodník, tj. Na prácu nepotrebujú externé napájanie, a preto sa vytvárajú automaticky.
- Vysokofrekvenčná odozva týchto prevodníkov je dobrou voľbou pre rôzne aplikácie.
Obmedzenia
- Teplota a podmienky prostredia môžu mať vplyv na správanie meniča.
- Môžu merať iba meniaci sa tlak, a preto sú pri meraní statických parametrov nepoužiteľné.
Toto je teda všetko o Piezoelektrický menič , Princíp práce, Vzorec, Obvod s funkciou, Výhody, Obmedzenia a tiež Aplikácie. Z vyššie uvedených informácií existujú rôzne aplikácie piezoelektrického meniča, ako sme už diskutovali. Pre aké použitie ste použili piezoelektrický menič? Aká bola vaša skúsenosť?
