Στην καθημερινή μας ζωή, συναντάμε διάφορες καταστάσεις όπου πρέπει να μετρήσουμε φυσικές ποσότητες όπως μηχανική καταπόνηση που εφαρμόζεται σε μέταλλο, επίπεδα θερμοκρασίας, επίπεδα πίεσης κ.λπ ... Για όλες αυτές τις εφαρμογές χρειαζόμαστε μια συσκευή που θα μπορούσε να μετρήσει αυτές τις άγνωστες ποσότητες σε μονάδες και γνωστές βαθμολογίες μας. Μια τέτοια συσκευή που είναι πιο χρήσιμη για εμάς είναι η ΜΕΤΑΦΟΡΤΟΣ . Ο μετατροπέας είναι μια ηλεκτρική συσκευή που μπορεί να μετατρέψει οποιονδήποτε τύπο φυσικής ποσότητας με τη μορφή αναλογικής ηλεκτρικής ποσότητας είτε ως τάση είτε ηλεκτρικό ρεύμα . Από τη μεγάλη ομάδα διαφόρων τύπων μορφοτροπέα, αυτό το άρθρο στοχεύει να εξηγήσει πιεζοηλεκτρικοί μορφοτροπείς .
Τι είναι ο πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας;
ο ορισμός ενός πιεζοηλεκτρικού μορφοτροπέα είναι ένα ηλεκτρικός μετατροπέας που μπορεί να μετατρέψει οποιαδήποτε μορφή φυσική ποσότητα σε ηλεκτρικό σήμα , που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μέτρηση. Ένας ηλεκτρικός μετατροπέας που χρησιμοποιεί ιδιότητες πιεζοηλεκτρικών υλικών για τη μετατροπή φυσικών ποσοτήτων σε ηλεκτρικά σήματα είναι γνωστός ως πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας.
Πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας
Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά παρουσιάζουν την ιδιότητα του πιεζοηλεκτρική ενέργεια , σύμφωνα με την οποία η εφαρμογή οποιουδήποτε τύπου μηχανικής τάσης ή τάσης οδηγεί στην παραγωγή ηλεκτρικής τάσης ανάλογης με την εφαρμοζόμενη τάση. Αυτή η παραγόμενη ηλεκτρική τάση μπορεί να μετρηθεί χρησιμοποιώντας τάση όργανα μέτρησης για τον υπολογισμό της τιμής της πίεσης ή της πίεσης που εφαρμόζεται στο υλικό.
Τύποι πιεζοηλεκτρικών υλικών
Μερικοί από τους τύπους πιεζοηλεκτρικών υλικών είναι:
Φυσικά διαθέσιμοι: Quartz, Rochelle salt, Topaz, Tourmaline-group mineral, και ορισμένες οργανικές ουσίες όπως μετάξι, ξύλο, σμάλτο, οστά, μαλλιά, καουτσούκ, οδοντίνη. Κατασκευάζει τεχνητά πιεζοηλεκτρικά υλικά είναι διφθοριούχο πολυβινυλιδένιο, PVDF ή PVF2, τιτανικό βάριο, τιτανικό μόλυβδο, τιτανικό ζιρκονικό μόλυβδο (PZT), νιοβικό κάλιο, νιοβικό λίθιο, τανταλικό λίθιο και άλλα πιεζοηλεκτρικά κεραμικά χωρίς μόλυβδο.
Δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν όλα τα πιεζοηλεκτρικά υλικά πιεζοηλεκτρικοί μορφοτροπείς . Υπάρχουν ορισμένες απαιτήσεις που πρέπει να πληρούνται από τα πιεζοηλεκτρικά υλικά που χρησιμοποιούνται ως μορφοτροπείς. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για σκοπούς μέτρησης πρέπει να έχουν σταθερότητα συχνότητας, υψηλές τιμές εξόδου, μη ευαίσθητα στις ακραίες συνθήκες θερμοκρασίας και υγρασίας και τα οποία μπορούν να διατίθενται σε διάφορα σχήματα ή πρέπει να είναι εύκαμπτα για να κατασκευάζονται σε διάφορα σχήματα χωρίς να διαταράσσονται οι ιδιότητές τους.
Δυστυχώς, δεν υπάρχει πιεζοηλεκτρικό υλικό που να έχει όλες αυτές τις ιδιότητες. Χαλαζίας είναι ένας πολύ σταθερός κρύσταλλος που είναι φυσικά διαθέσιμος αλλά έχει μικρά επίπεδα εξόδου. Οι αργά ποικίλες παράμετροι μπορούν να μετρηθούν με χαλαζία. Το αλάτι Rochelle δίνει τις υψηλότερες τιμές παραγωγής, αλλά είναι ευαίσθητο στις περιβαλλοντικές συνθήκες και δεν μπορεί να λειτουργήσει πάνω από 1150F.
Πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας που λειτουργεί
Πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας λειτουργεί με την αρχή της πιεζοηλεκτρικής ενέργειας. Οι όψεις του πιεζοηλεκτρικού υλικού, συνήθως του χαλαζία, επικαλύπτονται με ένα λεπτό στρώμα αγώγιμου υλικού όπως το ασήμι. Όταν το άγχος έχει εφαρμοστεί, τα ιόντα στο υλικό κινούνται προς μία από την αγώγιμη επιφάνεια ενώ απομακρύνονται από την άλλη. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία χρέωσης. Αυτό το φορτίο χρησιμοποιείται για τη βαθμονόμηση του στρες. Η πολικότητα του παραγόμενου φορτίου εξαρτάται από την κατεύθυνση της εφαρμοζόμενης τάσης. Το άγχος μπορεί να εφαρμοστεί σε δύο μορφές ως C κατασταλτικό στρες και Εκτατή πίεση όπως φαίνεται παρακάτω.
Εργασία ενός πιεζοηλεκτρικού μορφοτροπέα
Τύπος πιεζοηλεκτρικού μετατροπέα
Ο προσανατολισμός του κρυστάλλου επηρεάζει επίσης την ποσότητα της παραγόμενης τάσης. Το κρύσταλλο σε μορφοτροπέα μπορεί να τοποθετηθεί σε διαμήκης θέση ή εγκάρσια θέση .
Τύπος πιεζοηλεκτρικού μετατροπέα
Διαμήκη και εγκάρσια επίδραση
Κατά τη διαμήκη επίδραση, το φορτίο που δημιουργείται δίνεται από
Q = F * δ
Όπου F είναι η εφαρμοζόμενη δύναμη, d είναι ο πιεζοηλεκτρικός συντελεστής του κρυστάλλου.
Ο πιεζοηλεκτρικός συντελεστής d του κρυστάλλου χαλαζία είναι περίπου 2,3 * 10-12Γ / Ν.
Στο εγκάρσιο αποτέλεσμα, το φορτίο που δημιουργείται δίνεται από
Ε = F * d * (b / a)
Όταν ο λόγος b / a είναι μεγαλύτερος από 1, το φορτίο που παράγεται από εγκάρσια διάταξη θα είναι μεγαλύτερο από το ποσό που δημιουργείται από τη διαμήκη διάταξη.
Κύκλωμα πιεζοηλεκτρικού μετατροπέα
Η λειτουργία ενός βασικού πιεζοηλεκτρικού μορφοτροπέα μπορεί να εξηγηθεί από το παρακάτω σχήμα.
Κύκλωμα πιεζοηλεκτρικού μετατροπέα
Εδώ ο κρύσταλλος χαλαζία με επίστρωση ασήμι χρησιμοποιείται ως αισθητήρας για την παραγωγή τάσης όταν ασκείται πίεση. Ένας ενισχυτής φόρτισης χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του παραγόμενου φορτίου χωρίς διασκεδασμό. Για να τραβήξετε πολύ χαμηλό ρεύμα, η αντίσταση R1 είναι πολύ υψηλή. Η χωρητικότητα του καλωδίου μολύβδου που συνδέει τον μορφοτροπέα και πιεζοηλεκτρικός αισθητήρας επηρεάζει επίσης τη βαθμονόμηση. Έτσι ο ενισχυτής φόρτισης τοποθετείται συνήθως πολύ κοντά στον αισθητήρα.
Έτσι, σε έναν πιεζοηλεκτρικό μορφοτροπέα όταν εφαρμόζεται μηχανική τάση, παράγεται μια αναλογική ηλεκτρική τάση η οποία ενισχύεται χρησιμοποιώντας ενισχυτή φόρτισης και χρησιμοποιείται για τη βαθμονόμηση της εφαρμοζόμενης τάσης.
Πιεζοηλεκτρικός υπερηχητικός μετατροπέας
Ο υπερηχητικός πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας λειτουργεί σύμφωνα με την αρχή του αντίστροφου πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα . Σε αυτό το αποτέλεσμα όταν η ηλεκτρική ενέργεια εφαρμόζεται σε πιεζοηλεκτρικό υλικό, υφίσταται φυσικές παραμορφώσεις ανάλογες με το εφαρμοζόμενο φορτίο. Το κύκλωμα του μετατροπέας υπερήχων δίνεται παρακάτω.
Υπερηχητικός πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας
Εδώ, το κρύσταλλος χαλαζία τοποθετείται ανάμεσα σε δύο μεταλλικές πλάκες Α και Β που συνδέονται με την πρωτεύουσα L3 του μετασχηματιστή. Το πρωτεύον του μετασχηματιστή συνδέεται επαγωγικά με το ηλεκτρονικός ταλαντωτής . Τα πηνία L1 και L2, που σχηματίζουν δευτερεύοντα του μετασχηματιστή, συνδέονται με τον ηλεκτρονικό ταλαντωτή.
Όταν η μπαταρία είναι ενεργοποιημένη, ο ταλαντωτής παράγει παλμούς εναλλασσόμενης τάσης υψηλής συχνότητας με συχνότητα f = 1 ÷ (2π√L1C1). Λόγω αυτού, προκαλείται ένα e.m.f στο L3 το οποίο μεταφέρεται στον κρύσταλλο χαλαζία μέσω των πλακών Α και Β. Λόγω αντίστροφης πιεζοηλεκτρικής επίδρασης, ο κρύσταλλος αρχίζει να συστέλλεται και να επεκτείνεται εναλλακτικά δημιουργώντας μηχανικές δονήσεις.
Ο συντονισμός λαμβάνει χώρα όταν η συχνότητα του ηλεκτρονικός ταλαντωτής είναι ίση με τη φυσική συχνότητα του χαλαζία. Σε αυτό το σημείο, παράγει χαλαζία διαμήκη κύματα υπερήχων μεγάλου πλάτους.
Εφαρμογές πιεζοηλεκτρικού μετατροπέα
- Καθώς τα πιεζοηλεκτρικά υλικά δεν μπορούν να μετρήσουν τις στατικές τιμές, αυτά χρησιμοποιούνται κυρίως για τη μέτρηση της τραχύτητας της επιφάνειας, σε επιταχυνσιόμετρα και ως παραλαβή κραδασμών.
- Χρησιμοποιούνται σε σεισμογραφίες για τη μέτρηση των δονήσεων σε ρουκέτες.
- Σε μετρητές τάσης για μέτρηση δύναμης, πίεσης, δονήσεων κ.λπ…
- Χρησιμοποιείται από τις αυτοκινητοβιομηχανίες για τη μέτρηση των εκρήξεων σε κινητήρες.
- Αυτά χρησιμοποιούνται στο υπερηχητική απεικόνιση σε ιατρικές εφαρμογές.
Πλεονεκτήματα και περιορισμοί των πιεζοηλεκτρικών μετατροπέων
Τα πλεονεκτήματα και οι περιορισμοί των πιεζοηλεκτρικών μετατροπέων περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.
Πλεονεκτήματα
- Πρόκειται για ενεργό μορφοτροπέα, δηλαδή δεν απαιτούν εξωτερική ισχύ για εργασία και συνεπώς αυτοπαραγόμενα.
- Η απόκριση υψηλής συχνότητας αυτών των μετατροπέων κάνει μια καλή επιλογή για διάφορες εφαρμογές.
Περιορισμοί
- Η θερμοκρασία και οι περιβαλλοντικές συνθήκες μπορούν να επηρεάσουν τη συμπεριφορά του μορφοτροπέα.
- Μπορούν να μετρήσουν μόνο την μεταβαλλόμενη πίεση και ως εκ τούτου είναι άχρηστα κατά τη μέτρηση των στατικών παραμέτρων.
Επομένως, αυτό είναι όλο Πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας , Αρχή εργασίας, τύπος, κύκλωμα με εργασία, πλεονεκτήματα, περιορισμοί και επίσης εφαρμογές. Από τις παραπάνω πληροφορίες, υπάρχουν διάφορες εφαρμογές του πιεζοηλεκτρικού μετατροπέα όπως έχουμε συζητήσει. Για ποια εφαρμογή έχετε χρησιμοποιήσει τον πιεζοηλεκτρικό μορφοτροπέα; Πώς ήταν η εμπειρία σας;
