Igapäevases elus puutume kokku erinevate olukordadega, kus peame mõõtma füüsikalisi suurusi, nagu metallile avalduv mehaaniline pinge, temperatuuri tasemed, rõhutasemed jne. Kõigi nende rakenduste jaoks vajame seadet, mille abil saaks neid tundmatuid koguseid mõõta ühikutes ja meile tuttavad kalibreerimised. Üks selline seade, mis on meie jaoks kõige kasulikum, on ANDUR . Andur on elektriseade, mis suudab mis tahes tüüpi füüsikalise suuruse teisendada proportsionaalse elektrilise suuruse kujul kas pinge või elektrivool . Selle artikli eesmärk on selgitada erinevat tüüpi muundurite suurt kogumit piesoelektrilised muundurid .
Mis on piesoelektriline muundur?
The piezoelektrilise muunduri määratlus on an elektriline andur mis saab teisendada mis tahes vormi füüsikaline suurus elektrisignaaliks , mida saab kasutada mõõtmiseks. Elektriline muundur, mis kasutab piesoelektriliste materjalide omadusi füüsikaliste suuruste muundamiseks elektrilisteks signaalideks, on tuntud kui a piesoelektriline muundur.
Piesoelektriline muundur
Piesoelektriliste materjalide omadus on piesoelektrilisus , mille kohaselt mis tahes tüüpi mehaanilise pinge või pinge rakendamisel viib rakendatava pingega proportsionaalne elektriline pinge. Seda elektrilist pinget saab mõõta pinge abil mõõteriistad materjalile rakendatava pinge või pinge väärtuse arvutamiseks.
Piesoelektriliste materjalide tüübid
Mõned piesoelektriliste materjalide tüübid on:
Looduslikult saadaval olevad: Kvarts, Rochelle sool, topaas, turmaliinirühma mineraalid ja mõned orgaanilised ained nagu siid, puit, email, kond, juuksed, kumm, dentiin. Kunstlikult toodab piesoelektrilised materjalid on polüvinüülideendifluoriid, PVDF või PVF2, baariumtitanaat, plii titanaat, plii tsirkonaat titanaat (PZT), kaaliumniobaat, liitiumniobaat, liitiumtantalaat ja muu pliivaba piesoelektriline keraamika.
Kõiki piesoelektrilisi materjale ei saa kasutada piesoelektrilised muundurid . Anduritena kasutatavate piesoelektriliste materjalide puhul peavad olema täidetud teatud nõuded. Mõõtmiseks kasutatavatel materjalidel peaks olema sageduse stabiilsus, suured väljundväärtused, tundlikud äärmuslike temperatuuri- ja niiskustingimuste suhtes ning need võivad olla saadaval erineva kujuga või peaksid olema paindlikud, et neid valmistada erinevateks kujunditeks, häirimata nende omadusi.
Kahjuks pole ühtegi piesoelektrilist materjali, millel oleksid kõik need omadused. Kvarts on väga stabiilne kristall, mis on looduslikult saadaval, kuid mille väljundtase on väike. Kvartsiga saab mõõta aeglaselt erinevaid parameetreid. Rochelle sool annab kõrgeimad väljundväärtused, kuid see on keskkonnatingimuste suhtes tundlik ja seda ei saa kasutada üle 1150F.
Piezoelektriline muundur töötab
Piesoelektriline muundur töötab piesoelektri põhimõttega. Piesoelektrilise materjali, tavaliselt kvartsi, pinnad on kaetud õhukese juhtiva materjali kihiga, näiteks hõbedaga. Kui stress on rakendanud, liiguvad materjalis olevad ioonid ühest juhtivast pinnast teise liikudes. Selle tulemuseks on laengu genereerimine. Seda laengut kasutatakse stressi kalibreerimiseks. Toodetud laengu polaarsus sõltub rakendatava pinge suunast. Stressi saab rakendada kahes vormis kui C rõhuv stress ja Tõmbepinge nagu allpool näidatud.
Piezoelektrilise muunduri töö
Piesoelektrilise muunduri valem
Kristalli orientatsioon mõjutab ka tekitatud pinge hulka. Anduris olevaid kristalle saab paigutada sisse pikisuunaline asend või põiki asend .
Piesoelektrilise muunduri valem
Piki- ja põikiefekt
Pikisuunalises efektis annab genereeritud laengu
Q = F * d
Kus F on rakendatud jõud, d on kristalli piesoelektriline koefitsient.
Kvartskristalli piesoelektriline koefitsient d on umbes 2,3 * 10-12C / N.
Ristmõjus annab genereeritud laengu
Q = F * d * (b / a)
Kui suhe b / a on suurem kui 1, on põiksuunalise paigutuse abil toodetud laeng suurem kui pikisuunalise paigutuse abil tekitatud summa.
Piesoelektrilise muunduri ahel
Põhilise piesoelektrilise muunduri tööd saab selgitada alloleva joonisega.
Piesoelektrilise muunduri ahel
Siin kasutatakse hõbedaga kaetud kvartskristalli andurina pinge tekitamiseks, kui sellele rakendatakse pinget. Toodetud laengu hajutamata mõõtmiseks kasutatakse laenguvõimendit. Väga väikese voolu tõmbamiseks on takistus R1 väga kõrge. Andurit ühendava pliijuhtme mahtuvus piesoelektriline andur mõjutab ka kalibreerimist. Nii et laenguvõimendi paigutatakse tavaliselt anduri lähedale.
Niisiis tekib piesoelektrilises anduris mehaanilise pinge rakendamisel proportsionaalne elektriline pinge, mida võimendatakse laenguvõimendi abil ja kasutatakse rakendatud pinge kalibreerimiseks.
Piesoelektriline ultrahelimuundur
Ultraheli piesoelektriline muundur töötab vastupidi piesoelektriline efekt . Selle tagajärjel, kui piesoelektrilisele materjalile rakendatakse elektrit, toimuvad sellel füüsikalised deformatsioonid, mis on proportsionaalsed rakendatud laenguga. Vooluahel ultraheli muundur on toodud allpool.
Ultraheli piezoelektriline muundur
Siin, kvarts kristall on paigutatud kahe metallplaadi A ja B vahele, mis on ühendatud trafo primaarse L3-ga. Trafo primaar on induktiivselt ühendatud elektrooniline ostsillaator . Trafo sekundaarseks moodustavad mähised L1 ja L2 on ühendatud elektroonilise ostsillaatoriga.
Aku sisselülitamisel tekitab ostsillaator kõrgsageduslikke vahelduvpinge impulsse sagedusega f = 1 ÷ (2π√L1C1). Seetõttu indutseeritakse L3-s e.m.f, mis kandub kvartskristallile läbi plaatide A ja B. Vastupidise piesoelektrilise efekti tõttu hakkab kristall alternatiivselt kokku tõmbuma ja paisuma, tekitades mehaanilisi vibratsioone.
Resonants toimub siis, kui sagedus elektrooniline ostsillaator on võrdne kvartsi loomuliku sagedusega. Sel hetkel kvarts toodab pikisuunalised ultrahelilained suure amplituudiga.
Piesoelektriliste muundurite rakendused
- Kuna piesoelektrilised materjalid ei saa staatilisi väärtusi mõõta, kasutatakse neid peamiselt pinna kareduse mõõtmiseks, kiirendusmõõturites ja vibratsiooni vastuvõtjana.
- Neid kasutatakse aastal seismograafid rakettide vibratsiooni mõõtmiseks.
- Pingutusmõõturites jõu, pinge, vibratsiooni jms mõõtmiseks
- Kasutatakse autotööstuses detonatsioonide mõõtmiseks mootorites.
- Neid kasutatakse aastal ultraheli pildistamine meditsiinilistes rakendustes.
Piesoelektriliste muundurite eelised ja piirangud
Piesoelektriliste muundurite eelised ja piirangud hõlmavad järgmist.
Eelised
- Need on aktiivsed muundurid, st nad ei vaja töötamiseks välist voolu ja on seega isetootvad.
- Nende andurite kõrgsageduslik reageerimine on hea valik erinevate rakenduste jaoks.
Piirangud
- Temperatuur ja keskkonnatingimused võivad anduri käitumist mõjutada.
- Nad saavad mõõta ainult muutuvat rõhku, mistõttu on staatiliste parameetrite mõõtmisel kasutud.
Seega on see kõik Piesoelektriline muundur , Tööpõhimõte, valem, tööahel, eelised, piirangud ja ka rakendused. Ülaltoodud teabe põhjal on piesoelektrilise muunduri erinevaid rakendusi, nagu me oleme arutanud. Millise rakenduse jaoks olete piesoelektrilist muundurit kasutanud? Kuidas teie kogemused olid?
