Пьезоэлектрический датчик:схема, характеристики и применение

Датчики представляют собой устройства, используемые для обнаружения или измерения различных типов физических величин в окружающей среде. Входным сигналом может быть свет, тепло, движение, влажность, давление, вибрация и т. Д. Генерируемый выходной сигнал обычно представляет собой электрический сигнал, пропорциональный приложенному входному сигналу. Этот выход используется для калибровки входа или выходной сигнал передается по сети для дальнейшей обработки. В зависимости от измеряемого входа существуют различные типы датчиков. термометр на основе ртути действует как датчик температуры , Кислородный датчик в системе контроля выбросов автомобилей обнаруживает кислород, Фотодатчик обнаруживает присутствие видимого света. В этой статье мы опишем пьезоэлектрический датчик . . Пожалуйста, перейдите по ссылке, чтобы узнать больше о пьезоэлектрическом эффекте.

Определение пьезоэлектрического датчика

Датчик, работающий по принципу пьезоэлектричества . известен как пьезоэлектрический датчик. Где пьезоэлектричество - это явление, при котором электричество генерируется при приложении механического напряжения к материалу. Не все материалы обладают пьезоэлектрическими характеристиками.

Существуют различные типы пьезоэлектрических материалов. Примеры пьезоэлектрических материалов природные доступные монокристаллический кварц, кость и т. д. искусственно произведены, например, керамика PZT и т. д.…

Работа пьезоэлектрического датчика

Обычно пьезоэлектрический датчик измеряет физические величины, такие как ускорение и давление. Датчики давления и ускорения работают по одному и тому же принципу пьезоэлектричества, но основное различие между ними заключается в способе приложения силы к их чувствительному элементу.

В датчике давления тонкая мембрана помещена на массивное основание для передачи приложенной силы на пьезоэлектрический элемент . . При приложении давления к этой тонкой мембране пьезоэлектрический материал нагружается и начинает генерировать электрические напряжения. Произведенное напряжение пропорционально приложенному давлению.

В акселерометрах , сейсмическая масса прикрепляется к кристаллическому элементу для передачи приложенной силы пьезоэлектрическим материалам. При приложении движения сейсмическая масса нагружает пьезоэлектрический материал в соответствии с вторым законом Ньютона . движения. Пьезоэлектрический материал генерирует заряд, используемый для калибровки движения.

Элемент компенсации ускорения используется вместе с датчиком давления поскольку эти датчики могут улавливать нежелательные вибрации и показывать ложные показания.

Схема пьезоэлектрического датчика

Внутренняя схема пьезоэлектрического датчика приведена выше. Сопротивление Ri - это внутреннее сопротивление или сопротивление изолятора. Индуктивность возникает из-за инерции датчика. Емкость Ce обратно пропорциональна эластичности материала датчика. Для правильного отклика датчика нагрузка и сопротивление утечки должны быть достаточно большими, чтобы сохранялись низкие частоты. Датчик можно назвать датчиком давления . в электрическом сигнале. Датчики также известны как первичные преобразователи.

Технические характеристики пьезоэлектрического датчика

Некоторые из основных характеристик пьезоэлектрических датчиков:

• • Диапазон измерения: Этот диапазон зависит от пределов измерения.

• • Чувствительность S: Отношение изменения выходного сигнала ∆y к сигналу, вызвавшему изменение ∆x.
    S =∆y / ∆x.
  • Надежность: Это объясняет способность датчиков сохранять характеристики в определенных пределах в заданных условиях эксплуатации.

Помимо этого, некоторые характеристики пьезоэлектрических датчиков включают порог срабатывания, ошибки, время индикации и т. д.

• Эти датчики имеют значение импеданса ≤500 Ом.
• Эти датчики обычно работают в диапазоне температур от -20 ° C до + 60 ° C.
• Эти датчики следует хранить при температуре от -30 ° C до + 70 ° C, чтобы предотвратить их разрушение.
• У этих датчиков очень низкий уровень пайки . температура.
• Деформационная чувствительность пьезоэлектрического датчика составляет 5 В / мкƐ.
• Из-за своей высокой гибкости кварц является наиболее предпочтительным материалом в качестве пьезоэлектрического датчика.

Пьезоэлектрический датчик с использованием Arduino

Поскольку мы должны знать, что такое пьезоэлектрический датчик, давайте рассмотрим простое применение этого датчика с использованием Arduino. Здесь мы пытаемся включить светодиод, когда датчик давления обнаруживает достаточную силу.

Требуется оборудование

• Плата Arduino .
• Пьезоэлектрический датчик давления.
• светодиод
• Резистор 1 МОм.

Принципиальная схема:

• Здесь положительный вывод датчика, обозначенный красным проводом, подключен к аналоговому выводу A0 на плате Arduino, тогда как отрицательный вывод, обозначенный черным проводом, подключен к земле.
• Резистор 1 МОм подключается параллельно пьезоэлементу, чтобы ограничить напряжение и ток, создаваемые пьезоэлементом, и защитить аналоговый вход от нежелательных вибраций.
• Анод светодиода подключается к цифровому выводу D13 Arduino, а катод - к земле.

Работает

Пороговое значение 100 устанавливается для схемы, поэтому датчик не активируется при вибрациях ниже порогового значения. Таким образом мы можем устранить нежелательные небольшие колебания. Когда выходное напряжение, генерируемое сенсорным элементом, превышает пороговое значение, светодиод меняет свое состояние, т.е. если он находится в ВЫСОКОМ состоянии, он переходит в НИЗКОЕ. Если значение ниже порога, светодиод не меняет своего состояния и остается в своем предыдущем состоянии.

Код

const int ledPin =13; // Светодиод подключен к цифровому выводу 13
const int Датчик =A0; // Датчик подключен к аналоговому выводу A0
const int порог =100; // Порог установлен на 100
int sensorReading =0; // переменная для хранения значения, считанного с вывода датчика
int ledState = НИЗКИЙ ; // переменная, используемая для хранения последнего состояния светодиода, для переключения света

void setup ()
{
pinMode (ledPin, OUTPUT); // объявляем ledPin как ВЫХОД
}

void loop ()
{
// считываем датчик и сохраняем его в переменной sensorReading:
sensorReading =analogRead (Sensor);

// если показание датчика больше порогового значения:
if (sensorReading> =threshold)
{
// переключаем статус ledPin:
ledState =! ledState;
// обновить вывод светодиода:
digitalWrite (ledPin, ledState);
delay (10000); // задержка
}
else
{
digitalWrite (ledPin, ledState); // начальное состояние светодиода, т.е. НИЗКИЙ.
}
}

Приложения для пьезоэлектрических датчиков

• • Пьезоэлектрические датчики используются для обнаружения удара . .

• • Активные пьезоэлектрические датчики используются для толщиномера, датчика потока.

• • В качестве пассивных пьезоэлектрических датчиков используются микрофоны, акселерометр, музыкальные датчики и т. д.

• • Пьезоэлектрические датчики также используются для ультразвуковой визуализации.
  • Эти датчики используются для оптических измерений, измерений микродвижения, электроакустики и т. д.

Таким образом, речь идет о пьезоэлектрическом датчике, свойствах, характеристиках, а также о простом подключении датчика с помощью платы Arduino. Эти простые в использовании датчики находят применение в различных приложениях. Как вы использовали эти датчики в своем проекте? С какой самой большой проблемой вы столкнулись при использовании этих датчиков?