В нашей повседневной жизни мы сталкиваемся с различными ситуациями, когда нам нужно измерить физические величины, такие как механическое напряжение, приложенное к металлу, уровни температуры, уровни давления и т. Д. Для всех этих приложений нам необходимо устройство, которое могло бы измерять эти неизвестные величины в единицах и знакомые нам калибровки. Одним из наиболее полезных для нас устройств является ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ . Преобразователь - это электрическое устройство, которое может преобразовывать любой тип физической величины в форму пропорциональной электрической величины либо как напряжение, либо как электрический ток . Из большого количества датчиков различных типов, эта статья призвана объяснить пьезоэлектрические преобразователи .
Что такое пьезоэлектрический преобразователь?
В определение пьезоэлектрического преобразователя является электрический преобразователь который может преобразовывать любую форму физическая величина в электрический сигнал , который можно использовать для измерения. Электрический преобразователь, который использует свойства пьезоэлектрических материалов для преобразования физических величин в электрические сигналы, известен как пьезоэлектрический преобразователь.
Пьезоэлектрический преобразователь
Пьезоэлектрические материалы проявляют свойство пьезоэлектричество , согласно которому приложение любого типа механического напряжения или деформации приводит к генерации электрического напряжения, пропорционального приложенному напряжению. Произведенное электрическое напряжение можно измерить с помощью напряжения измерительные приборы для расчета величины напряжения или деформации, приложенной к материалу.
Типы пьезоэлектрических материалов
Некоторые из типов пьезоэлектрических материалов:
Естественно доступные: Кварц, соль Рошеля, топаз, минералы группы турмалина и некоторые органические вещества, такие как шелк, дерево, эмаль, кость, волосы, резина, дентин. Искусственно производит пьезоэлектрические материалы представляют собой поливинилидендифторид, PVDF или PVF2, титанат бария, титанат свинца, цирконат титанат свинца (PZT), ниобат калия, ниобат лития, танталат лития и другую пьезоэлектрическую керамику, не содержащую свинца.
Не все пьезоэлектрические материалы можно использовать в пьезоэлектрические преобразователи . К пьезоэлектрическим материалам, используемым в качестве преобразователей, предъявляются определенные требования. Материалы, используемые для целей измерения, должны иметь стабильность частоты, высокие выходные значения, нечувствительны к условиям экстремальной температуры и влажности, и они могут быть доступны в различных формах или должны быть гибкими, чтобы их можно было изготовить в различных формах без нарушения их свойств.
К сожалению, не существует пьезоэлектрического материала, обладающего всеми этими свойствами. Кварцевый это высокостабильный кристалл, который естественно доступен, но имеет небольшой выходной уровень. Медленно меняющиеся параметры можно измерить с помощью кварца. Рошельская соль дает самые высокие выходные значения, но она чувствительна к условиям окружающей среды и не может эксплуатироваться при температуре выше 1150F.
Работа пьезоэлектрического преобразователя
Пьезоэлектрический преобразователь работает по принципу пьезоэлектричества. Грани пьезоэлектрического материала, обычного кварца, покрыты тонким слоем проводящего материала, например серебра. При приложении напряжения ионы в материале движутся к одной проводящей поверхности, удаляясь от другой. Это приводит к возникновению заряда. Этот заряд используется для калибровки напряжения. Полярность произведенного заряда зависит от направления приложенного напряжения. Стресс может применяться в двух формах: C подавляющий стресс и Растягивающее напряжение как показано ниже.
Работа пьезоэлектрического преобразователя
Формула пьезоэлектрического преобразователя
Ориентация кристалла также влияет на количество генерируемого напряжения. Кристалл в преобразователе можно расположить в продольное положение или же поперечное положение .
Формула пьезоэлектрического преобразователя
Продольный и поперечный эффект
В продольном эффекте генерируемый заряд определяется выражением
Q = F * d
Где F - приложенная сила, d - пьезоэлектрический коэффициент кристалла.
Пьезоэлектрический коэффициент d кристалла кварца составляет около 2,3 * 10-12C / N.
При поперечном эффекте генерируемый заряд определяется выражением
Q = F * d * (б / а)
Когда отношение b / a больше 1, заряд, создаваемый поперечным расположением, будет больше, чем количество, генерируемое продольным расположением.
Схема пьезоэлектрического преобразователя
Работу основного пьезоэлектрического преобразователя можно пояснить на рисунке ниже.
Схема пьезоэлектрического преобразователя
Здесь кристалл кварца, покрытый серебром, используется в качестве датчика для создания напряжения при приложении к нему напряжения. Усилитель заряда используется для измерения произведенного заряда без рассеяния. Чтобы потреблять очень низкий ток, сопротивление R1 очень велико. Емкость подводящего провода, соединяющего датчик и пьезоэлектрический датчик также влияет на калибровку. Поэтому усилитель заряда обычно размещают очень близко к датчику.
Таким образом, в пьезоэлектрическом преобразователе при приложении механического напряжения генерируется пропорциональное электрическое напряжение, которое усиливается с помощью усилителя заряда и используется для калибровки приложенного напряжения.
Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь
Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь работает по принципу обратного пьезоэлектрический эффект . В этом случае, когда к пьезоэлектрическому материалу подается электричество, он претерпевает физические деформации, пропорциональные приложенному заряду. Схема ультразвуковой преобразователь приведен ниже.
Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь
Здесь Кристалл кварца расположен между двумя металлическими пластинами A и B, которые подключены к первичной обмотке L3 трансформатора. Первичная обмотка трансформатора индуктивно связана с электронный генератор . Катушки L1 и L2, образующие вторичную обмотку трансформатора, подключены к электронному генератору.
При включении батареи генератор вырабатывает высокочастотные импульсы переменного напряжения с частотой f = 1 ÷ (2π√L1C1). Вследствие этого в L3 индуцируется ЭДС, которая передается кристаллу кварца через пластины A и B. Из-за обратного пьезоэлектрического эффекта кристалл начинает попеременно сжиматься и расширяться, создавая механические колебания.
Резонанс возникает, когда частота электронный генератор равна собственной частоте кварца. На этом этапе кварц производит продольные ультразвуковые волны большой амплитуды.
Применение пьезоэлектрических преобразователей
- Поскольку пьезоэлектрические материалы не могут измерять статические значения, они в основном используются для измерения шероховатости поверхности, в акселерометрах и в качестве датчика вибрации.
- Они используются в сейсмографы для измерения вибрации в ракетах.
- В тензодатчиках для измерения силы, напряжения, вибрации и т. Д.
- Используется в автомобильной промышленности для измерения детонации в двигателях.
- Они используются в ультразвуковая визуализация в медицинских приложениях.
Преимущества и ограничения пьезоэлектрических преобразователей
К достоинствам и ограничениям пьезоэлектрических преобразователей можно отнести следующее.
Преимущества
- Это активные преобразователи, то есть они не требуют внешнего питания для работы и, следовательно, самогенерируются.
- Высокочастотная характеристика этих преобразователей делает их хорошим выбором для различных приложений.
Ограничения
- Температура и условия окружающей среды могут влиять на поведение датчика.
- Они могут измерять только изменение давления, поэтому они бесполезны при измерении статических параметров.
Таким образом, это все о Пьезоэлектрический преобразователь , Принцип работы, формула, схема с работой, преимущества, ограничения, а также приложения. Из приведенной выше информации, как мы уже обсуждали, существуют различные применения пьезоэлектрического преобразователя. В каком приложении вы использовали пьезоэлектрический преобразователь? Каким был твой опыт?
