Что такое пьезоэлектрический преобразователь? Принципиальная схема, работа и приложения

В повседневной жизни мы сталкиваемся с различными ситуациями, когда нам приходится измерять физические величины, такие как механическое напряжение. нанесенный на металл, уровни температуры, уровни давления и т. д. Для всех этих применений нам необходимо устройство, которое могло бы измерять эти неизвестные величины в известных нам единицах и калибровках. Одним из наиболее полезных для нас устройств является ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ . . Преобразователь - это электрическое устройство, которое может преобразовывать любые физические величины в виде пропорциональных электрических величин в виде напряжения или электрического тока . . Из большого количества различных типов преобразователей эта статья призвана рассказать о пьезоэлектрических преобразователях .

Что такое пьезоэлектрический преобразователь?

Определение пьезоэлектрического преобразователя это электрический преобразователь который может преобразовывать любую форму физической величины 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 .

Пьезоэлектрические материалы обладают свойством пьезоэлектричества . , согласно которому приложение любого типа механического напряжения или деформации приводит к генерации электрического напряжения, пропорционального приложенному напряжению. Произведенное электрическое напряжение можно измерить с помощью измерительных приборов . для расчета значения напряжения или деформации, приложенного к материалу.

Типы пьезоэлектрических материалов

Вот 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 пьезоэлектрических преобразователях . . 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 производить в различных формах без нарушения их свойств.

К сожалению, не существует пьезоэлектрического материала, обладающего всеми этими свойствами. Кварц 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 работать при температуре выше 1150F.

Пьезоэлектрический преобразователь работает

Пьезоэлектрический преобразователь работает по принципу пьезоэлектричества. Грани пьезоэлектрического материала, обычного кварца, покрыты тонким слоем проводящего материала, например серебра. Когда приложено напряжение, 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 проявляться в двух формах:C давящее напряжение . и растягивающее напряжение как показано ниже.

Формула пьезоэлектрического преобразователя

Ориентация кристалла также влияет на количество генерируемого напряжения. Кристалл в преобразователе можно расположить в продольном положении . или поперечное положение .

Продольный и поперечный эффект

В продольном эффекте генерируемый заряд задается

Q =F * d

Где F - приложенная сила, d - пьезоэлектрический коэффициент кристалла.

Пьезоэлектрический коэффициент d кристалла кварца составляет около 2,3 * 10 ^-12 C / N.

В поперечном эффекте генерируемый заряд задается

Q =F * d * (b / a)

Когда отношение b / a больше 1, заряд, производимый поперечным расположением, будет больше, чем его количество, генерируемое продольным расположением.

Схема пьезоэлектрического преобразователя

Работу основного пьезоэлектрического преобразователя можно пояснить на рисунке ниже.

Здесь кристалл кварца, покрытый серебром, используется в качестве датчика для генерации 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 преобразователь и пьезоэлектрический датчик . также влияет на калибровку. Поэтому усилитель заряда обычно размещают очень близко к датчику.

Итак, 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 пьезоэлектрического эффекта . В результате, когда к пьезоэлектрическому материалу подается электричество, он претерпевает физические деформации, пропорциональные приложенному заряду. Схема ультразвукового преобразователя приводится ниже.

Здесь кристалл кварца расположен между двумя металлическими пластинами A и B, которые подключены к первичной обмотке L3 трансформатора. Первичная обмотка трансформатора индуктивно связана с электронным генератором . . 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). Из-за 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 электронного генератора равна собственной частоте кварца. В этот момент кварц излучает продольные ультразвуковые волны . большой амплитуды.

Приложения для 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 сейсмографах . для измерения вибрации ракет.
• В тензодатчиках для измерения силы, напряжения, вибрации и т. д.
• Используется в автомобильной промышленности для измерения детонации в двигателях.
• Они используются в ультразвуковой визуализации . в медицинских приложениях.

Преимущества и ограничения пьезоэлектрических преобразователей

К преимуществам и ограничениям пьезоэлектрических преобразователей можно отнести следующее.

Преимущества

• Это активные преобразователи, т. е. им не требуется внешнее питание для работы, поэтому они самогенерируются.
• Высокочастотный отклик этих преобразователей является хорошим выбором для различных приложений.

Ограничения

• Температура и условия окружающей среды могут влиять на поведение датчика.
• Они могут измерять только изменяющееся давление, поэтому бесполезны при измерении статических параметров.

Таким образом, это все о пьезоэлектрическом преобразователе, принципе работы, формуле, схеме с работой, преимуществах, ограничениях, а также приложениях. Исходя из приведенной выше информации, как мы уже обсуждали, существуют различные применения пьезоэлектрического преобразователя. В каком приложении вы использовали пьезоэлектрический преобразователь? Каким был ваш опыт?