V vsakdanjem življenju se srečujemo z različnimi situacijami, ko moramo meriti fizikalne količine, kot so mehanske obremenitve na kovino, temperature, stopnje tlaka itd ... Za vse te aplikacije potrebujemo napravo, ki bi lahko te neznane količine merila v enotah in nam znane kalibracije. Ena takšnih naprav, ki nam je najbolj uporabna, je PREDVAJALEC . Pretvornik je električna naprava, ki lahko pretvori katero koli vrsto fizične količine v obliki sorazmerne električne količine bodisi kot napetost ali električni tok . Ta članek želi iz velikega bazena različnih vrst pretvornikov razložiti približno piezoelektrični pretvorniki .
Kaj je piezoelektrični pretvornik?
The opredelitev piezoelektričnega pretvornika je električni pretvornik ki lahko pretvori katero koli obliko fizična količina v električni signal , ki se lahko uporablja za merjenje. Električni pretvornik, ki uporablja lastnosti piezoelektričnih materialov za pretvorbo fizikalnih veličin v električne signale, je znan kot piezoelektrični pretvornik.
Piezoelektrični pretvornik
Piezoelektrični materiali kažejo lastnost piezoelektričnost , v skladu s katero pri delovanju katere koli vrste mehanskih napetosti ali deformacij pride do ustvarjanja električne napetosti, sorazmerne z uporabljeno napetostjo. To proizvedeno električno napetost lahko izmerimo z napetostjo merilni instrumenti za izračun vrednosti napetosti ali deformacije na material.
Vrste piezoelektričnih materialov
Nekatere vrste piezoelektričnih materialov so:
Naravno dostopni: Kremen, sol Rochelle, topaz, minerali skupine turmalin in nekatere organske snovi, kot so svila, les, emajl, kosti, lasje, guma, dentin. Umetno izdeluje piezoelektrični materiali so poliviniliden difluorid, PVDF ali PVF2, barijev titanat, svinčev titanat, svinčev cirkonat titanat (PZT), kalijev niobat, litijev niobat, litijev tantalat in druga piezoelektrična keramika brez svinca.
Vseh piezoelektričnih materialov ni mogoče uporabiti v piezoelektrični pretvorniki . Piezoelektrični materiali, ki se uporabljajo kot pretvorniki, morajo izpolnjevati nekatere zahteve. Materiali, ki se uporabljajo za meritve, bi morali imeti stabilnost frekvence, visoke izhodne vrednosti, neobčutljivi na ekstremne temperature in vlago ter na voljo v različnih oblikah ali prilagodljivi za izdelavo v različne oblike, ne da bi to vplivalo na njihove lastnosti.
Na žalost ni nobenega piezoelektričnega materiala, ki bi imel vse te lastnosti. Kremen je zelo stabilen kristal, ki je naravno dostopen, vendar ima majhne izhodne ravni. Počasi spreminjajoče se parametre lahko merimo s kremenom. Sol Rochelle daje najvišje izhodne vrednosti, vendar je občutljiva na okoljske razmere in je ni mogoče uporabljati nad 1150F.
Delo piezoelektričnega pretvornika
Piezoelektrični pretvornik deluje po principu piezoelektričnosti. Obrazi piezoelektričnega materiala, običajnega kremena, so prevlečeni s tanko plastjo prevodnega materiala, kot je srebro. Ko pride do napetosti, se ioni v materialu premaknejo proti eni od prevodnih površin, medtem ko se oddaljujejo od druge. Posledica tega je polnjenje. Ta naboj se uporablja za umerjanje napetosti. Polarnost proizvedenega naboja je odvisna od smeri uporabljene napetosti. Stres lahko uporabimo v dveh oblikah kot C ompresivni stres in Natezne napetosti kot je prikazano spodaj.
Delo piezoelektričnega pretvornika
Formula piezoelektričnega pretvornika
Usmerjenost kristala vpliva tudi na količino ustvarjene napetosti. Kristal v pretvorniku lahko uredite v vzdolžni položaj ali prečni položaj .
Formula piezoelektričnega pretvornika
Vzdolžni in prečni učinek
V vzdolžnem učinku je ustvarjeni naboj podan z
Q = F * d
Kjer je F uporabljena sila, d je piezoelektrični koeficient kristala.
Piezoelektrični koeficient d kremenovega kristala je približno 2,3 * 10-12C / N.
Pri prečnem učinku je ustvarjeni naboj dan z
Q = F * d * (b / a)
Ko je razmerje b / a večje od 1, bo naboj, proizveden s prečno razporeditvijo, večji od zneska, ustvarjenega z vzdolžno razporeditvijo.
Piezoelektrični pretvornik
Delovanje osnovnega piezoelektričnega pretvornika je mogoče razložiti s spodnjo sliko.
Piezoelektrični pretvornik
Tu se kremenov kristal, prevlečen s srebrom, uporablja kot senzor za ustvarjanje napetosti, kadar nanj deluje stres. Ojačevalnik naboja se uporablja za merjenje proizvedenega naboja brez odvajanja. Za vlečenje zelo nizkega toka je upor R1 zelo visok. Kapaciteta svinčene žice, ki povezuje pretvornik in piezoelektrični senzor vpliva tudi na kalibracijo. Tako je ojačevalnik polnjenja običajno nameščen zelo blizu senzorja.
Torej se v piezoelektričnem pretvorniku ob uporabi mehanskih napetosti ustvari sorazmerna električna napetost, ki jo ojačimo z ojačevalnikom naboja in uporabimo za umerjanje uporabljene napetosti.
Piezoelektrični ultrazvočni pretvornik
Ultrazvočni piezoelektrični pretvornik deluje po principu obratnega piezoelektrični učinek . V tem učinku, ko se na piezoelektrični material nanese elektrika, ta pretrpi fizične deformacije, sorazmerne z uporabljenim nabojem. Vezje ultrazvočni pretvornik je podano spodaj.
Ultrazvočni piezoelektrični pretvornik
Tukaj kremenov kristal je nameščen med dvema kovinskima ploščama A in B, ki sta povezani s primarnim L3 transformatorja. Primarni transformator je induktivno povezan z elektronski oscilator . Tuljavi L1 in L2, ki tvorita sekundarno transformatorja, sta povezani z elektronskim oscilatorjem.
Ko je akumulator vklopljen, oscilator proizvaja visokofrekvenčne izmenične napetostne impulze s frekvenco f = 1 ÷ (2π√L1C1). Zaradi tega se v L3 inducira e.m.f, ki se skozi plošči A in B. prenese na kremenov kristal. Zaradi obratnega piezoelektričnega učinka se začne kristal krčiti in širiti, tako da ustvarja mehanske vibracije.
Resonanca se zgodi, ko je frekvenca elektronski oscilator je enaka lastni frekvenci kremena. Na tej točki proizvaja kremen vzdolžni ultrazvočni valovi velike amplitude.
Uporaba piezoelektričnih pretvornikov
- Ker piezoelektrični materiali ne morejo meriti statičnih vrednosti, se te v glavnem uporabljajo za merjenje hrapavosti površine, v merilcih pospeška in kot zajem vibracij.
- Uporabljajo se v seizmografi za merjenje vibracij v raketah.
- V merilnikih za merjenje sile, napetosti, vibracij itd.
- Uporablja ga avtomobilska industrija za merjenje detonacij v motorjih.
- Ti se uporabljajo v ultrazvočno slikanje v medicinskih aplikacijah.
Prednosti in omejitve piezoelektričnih pretvornikov
Prednosti in omejitve piezoelektričnih pretvornikov vključujejo naslednje.
Prednosti
- To so aktivni pretvorniki, tj. Za delo ne potrebujejo zunanje moči in se zato samodejno generirajo.
- Visokofrekvenčni odziv teh pretvornikov je dobra izbira za različne aplikacije.
Omejitve
- Temperatura in okoljske razmere lahko vplivajo na obnašanje pretvornika.
- Izmerijo lahko le spreminjajoči se tlak, zato so med merjenjem statičnih parametrov neuporabni.
Tu gre torej za to Piezoelektrični pretvornik , Načelo dela, Formula, Vezje z delom, Prednosti, Omejitve in tudi Aplikacije. Iz zgornjih informacij obstajajo različne uporabe piezoelektričnega pretvornika, kot smo že razpravljali. Za katero aplikacijo ste uporabili piezoelektrični pretvornik? Kakšne so bile vaše izkušnje?
