Пьезоэлектрические схемы: подробное руководство и применение

Каждый день мы сталкиваемся с разными ситуациями, требующими измерения неизвестных физических величин. Например, уровня температуры или давления. И для измерения этих неизвестных величин вам понадобится устройство с такими возможностями. К счастью, у нас есть ответ. Всё, что вам нужно — это пьезо-схема. Существуют разные типы пьезо-схем для различных применений, как пьезо-зуммер или пьезо-датчик. Однако фокус этой статьи — на пьезоэлектрических преобразователях. Так что в этой статье мы покажем вам всё, что вам нужно знать о пьезо-схемах и разных типах пьезо-схем. Кроме того, если вы хотите узнать больше о пьезоэлектрических преобразователях для вашего проекта конвертации, эта статья также для вас.

Готовы? Давайте начнём!

Что такое пьезо-схемы

Сначала посмотрим, что означает пьезоэлектричество. Просто говоря, пьезоэлектричество — это электричество, производимое механическим давлением, создающее то, что мы знаем как пьезоэлектрический эффект.

Теперь пьезо-схема использует этот пьезоэлектрический эффект для преобразования энергии, созданной изменениями в силе, ускорении, температуре, давлении или деформации, в электрический заряд.

Термин «преобразователь» (трансдуктор) охватывает всё, что может менять одну форму энергии в другую. Таким образом, пьезоэлектрический преобразователь — один из типов преобразователей.

Но это не всё.

Чувствительность пьезоэлектрического преобразователя высока. Поэтому он может служить датчиком и работать в акселерометре благодаря своей хорошей частотной характеристике.

Как работает пьезоэлектрический преобразователь?

Как упоминалось ранее, пьезоэлектрический преобразователь работает на пьезоэлектрическом принципе. Также пьезоэлектрический материал, в данном случае кварц, имеет тонкий слой проводящего материала (серебра), покрывающего его тело.

Кроме того, кварцевые кристаллы — это комбинации кремния и кислорода, расположенные в упорядоченной кристаллической системе (SiO2).

Что ещё, пьезоэлектрические кристаллы электрически нейтральны и несполярны (неравномерны и несимметричны).

Хотя атомы в этих кристаллах не в порядке, у них умеренные электрические заряды. Другими словами, положительные заряды противодействуют отрицательным зарядам.

Плюс, кварцевый кристалл имеет одну уникальную функцию. Он производит электрическую поляризацию всякий раз, когда вы прикладываете давление или механическую силу к нему на поверхности.

Если вы хотите получить больше информации о том, как работают пьезо-схемы, вы можете прочитать эту статью.

Типы пьезоэлектрических преобразователей

Существует множество типов пьезоэлектрических преобразователей. Плюс, вы можете классифицировать эти типы пьезо-преобразователей в соответствии с материалом пьезоэлектрического кристалла.

Керамические пьезоэлектрические преобразователи

Хорошо, вы можете создать керамический пьезоэлектрический преобразователь в разных формах и размерах. По этой причине вы всегда можете соответствовать вашим или ваших клиентов специфическим требованиям. Основной компонент керамического пьезоэлектрического преобразователя в основном создаётся композициями цирконата титана свинца.

Пьезоэлектрические преобразователи на соли Роккеля

Соль Роккеля — другой материал, который может работать в пьезо-транзисторах. Из всех разных пьезоэлектрических материалов соль Роккеля — материал с наивысшим выходным сигналом.

Некоторые недостатки включают невозможность использования этого материала во влажных средах. Также вы не можете использовать этот материал выше определённой температуры (240 градусов Цельсия).

Однако синтетические кристаллы более эффективны для приложений с пиковым выходным напряжением, особенно для чувствительности, чем натуральные кристаллы.

Пьезоэлектрические преобразователи по принципу работы

Вы можете разделить пьезо-преобразователь на мегасонические, сонические и ультразвуковые преобразователи в зависимости от рабочей частоты. У каждого из этих классификаций разные дизайны и функции. Во-первых, вы можете использовать сонический преобразователь на любой слышимой частоте, которая должна быть ниже 2 кГц.

Хорошими примерами сонического преобразователя являются зуммерные преобразователи. Во-вторых, нормальная рабочая частота ультразвукового преобразователя составляет от 20 до 200 кГц. В-третьих, мегасонические преобразователи работают на МГц частоте.

Примеры пьезо-схем

Вот несколько примеров других пьезо-схем и как они работают:

Громкий пищалка на 3 В

Трудно получить высокую интенсивность звука от пьезоэлектрического типа пищалки с 3 В постоянного тока.

Однако эта схема обходит такие ограничения и эффективно производит интенсивный звук. Она делает это, комбинируя сектор повышения напряжения с резонансной сеткой обратной связи.

Так, напряжение, которое получает пьезоэлектрическая пластина, составляет примерно 40 вольт пик-пик. Итоговый результат — схема, создающая громкий звук без потребления большого тока.

Сигнализация движения с использованием пьезо-устройства

Вот другая пьезо-схема, которая доступна и легко собирается. Результат этой схемы — пьезоэлектрическое устройство, которое можно использовать как датчик движения для любой сигнализации движения.

Генератор щелчков на пьезоэлектрической основе

Схема генератора щелчков создаёт слышимый «щелчок» или обратную связь всякий раз, когда вы нажимаете кнопку — на компьютерной системе. Обе схемы выше имеют способность генерировать эти щелчки каждый раз, когда их логический вход переключается с низкого на высокий.

Пьезоэлектрический звуковой генератор имеет низкое потребление энергии и обеспечивает уровень индикации датчика. Также вы можете контролировать количество щелчков в секунду.

Пьезоэлектрический тап-переключатель

Вот другая пьезо-схема, использующая пьезоэлектрическую пластину. Также вы можете закрепить эту пластину внутри пластиковой коробки, так что она работает как датчик касания пальцем. Следовательно, всякий раз, когда вы постукиваете по коробке, содержащей пластину, она включит/выключит питание (переменного или постоянного тока) внешнего устройства.

Кроме того, схема питания от 9 В батареи и управляет одиночным реле с контактом 10 А (5 В). С этим реле вы переключаетесь между переменным или постоянным питанием. Также когда вы ставите схему в режим ожидания, она потребляет минимальный ток 1 мкА.

Пьезоэлектрический преобразователь: разные типы режимов работы

Пьезоэлектрический преобразователь имеет три основных режима работы, в зависимости от того, как вы режете пьезоэлектрический материал. Они включают поперечный, продольный и сдвиговые режимы работы.

Для поперечного режима; вы можете прикладывать давление к главной оси 'Y' и генерировать заряд. Затем двигаться в направлении 'X' под углом 90 градусов от линии давления. В этой точке заряд будет зависеть от формы пьезоэлектрического материала.

Для продольного режима, генерируемый заряд зависит от приложенной силы. В противоположность поперечному эффекту, заряд в продольном режиме не зависит от формы или размера пьезоэлектрического материала.

Наконец, сдвиговой режим похож на продольный эффект. Он генерирует заряд на основе приложенной силы и также не зависит от геометрии пьезоэлектрического компонента.

Применение пьезоэлектрических преобразователей

Вот некоторые применения пьезоэлектрического преобразователя:

• В автомобилях, датчиках приближённости и уровне

• В бытовых продуктах, таких как датчики движения или датчики объектов
• В обычных электронных устройствах, как игрушки, пульты дистанционного управления и игры

• Для расчёта детонаций в автомобильных применениях
• В аэропортах или ресторанах с автоматическими дверьми

Преимущества и ограничения пьезоэлектрических преобразователей

Вот некоторые преимущества и ограничения пьезоэлектрических преобразователей

Преимущества

• Они являются самообразующимися преобразователями
• Идеальны для широкого спектра применений
• Просты в использовании и обращении в схемах

Ограничения

• Чувствительны к условиям окружающей среды, как температура
• Не могут измерять статические приложения
• Вы не можете легко получить форму и прочность, которые вы хотите для ваших пьезоэлектрических материалов
• Иногда низкое выходное напряжение в некоторых применениях

Итог

Пьезоэлектрические схемы — уникальные схемы, работающие для различных применений. Пьезоэлектрический преобразователь — одна из этих схем, предлагающая уникальные возможности, которые вы с трудом найдёте в других датчиках.

Пьезоэлектрический преобразователь имеет несколько преимуществ и недостатков — но это зависит от вашего применения. В заключение, обязательно тщательно оцените производительность пьезоэлектрического преобразователя перед выбором или покупкой.

Мы подошли к концу этой статьи. Однако, если у вас есть дополнительные вопросы, не стесняйтесь связаться с нами. Мы будем рады услышать от вас.