Тези преобразуватели принадлежат към подгрупа генератори, базирани са на механично натрупани електрически заряди. В резултат на това се разграничава следната връзка: Q=d P. В този случай d е пиезоелектричният модул, а P е силата. Като правило материалът е кварц, турмалин, отгряващи смеси, барий, олово. За проектиране на пиезоелектричен преобразувател е необходимо да се използват модели на натоварване: компресия, огъване, срязване, напрежение.
Пряк и обратен пиезоелектричен ефект
Пряк ефект се характеризира със следното: използвания кристален материал образува решетка поради заредени йони, подредени в определен ред. В процеса различни частици се редуват и взаимно се компенсират, което води до електрическа неутралност. Кристалите имат характеристики, които са посочени по следния начин:
- симетрия по отношение на оста;
- като се има предвид предишния изглед, се появява решетка с йони, които се редуват и компенсират.
Ако материалът, използван в процеса, е насочен към силата Fx, тогава тясе деформира, разстоянието между положителния и отрицателния заряд се променя и посоката по дадена ос се наелектризира. Всичко това се изразява във формулата q=d11Fx и е пропорционално на силата. Коефициентът е свързан с веществото и неговото състояние, има име - пиезоелектричният модул. Индексите се определят от силата и ръба, но ако промените посоката, ефектът ще бъде различен.
Пиезоелектричният преобразувател в директния процес наелектризира кристалите под въздействието на външни сили. Този ефект възниква под въздействието на вещества, които са електротехници. За да направите измервателни уреди, ще ви трябват кварцови кристали. Тоест принципът на работа на пиезоелектричния преобразувател е следният: при директен ефект действието се извършва чрез механика, а при обратното кристалите се деформират.
Допълнителни пиезо ефекти
Кристалът може да бъде поляризиран, когато плочата е подложена на сили върху осите X, Y. Fy – напречно, с Fz не се начисляват такси. Кварцовият кристал е разположен на три координатни оси. За да използвате пиезоелектрични преобразуватели, е необходимо да изрежете плоча, която показва ефекта. Има следното описание:
- висока якост;
- разрешено напрежение до 108 N/m2, така че са възможни големи измерими сили;
- твърдост и еластичност;
- минимално триене вътре;
- стабилност,което не се променя;
- Максимален коефициент на качество на изработения материал.
Кварцовите плочи се използват само в преобразуватели, които измерват налягане и сила. Като се има предвид твърдостта на материала, той е труден за обработка, така че от него се създава проста форма. Модулът е постоянен при постоянна температура. Ако се увеличи, тогава в този случай има намаляване на модула. Пиезоелектричните свойства изчезват при 573 градуса по Целзий.
Описание на устройството и измервателните вериги
Пиезоелектричният преобразувател на налягане има следната структура:
- мембрана, която е дъното на кутията;
- външната облицовка е заземена, а средната е изолирана с кварц;
- плочите имат високо съпротивление, свързани паралелно;
- фолиото и вътрешната сърцевина на кабела са закрепени в отвор, затворен с капак.
Изходната мощност е минимална, в това отношение е осигурен усилвател с голямо съпротивление. По същество напрежението зависи от капацитета на входната верига. Характеристиките на преобразувателя показват чувствителност и капацитет. По принцип това е зарядът и собствените индикатори на устройството. Ако се изчисли общо, тогава ще се получи следната изходна мощност: Sq =q/F или Uxx=d11 F/Co.
За да разширите честотния диапазон, е необходимо да увеличите измерените ниски променливи към верига с постоянна време. Лесно е да направите това, като включитекондензатори, които са разположени успоредно с устройството. В този случай обаче изходното напрежение ще намалее. Увеличеното съпротивление ще разшири обхвата без загуба на чувствителност. Но за да се увеличи, са необходими подобрени качества на изолация и усилватели с вход с високо съпротивление.
Описание на измервателните вериги
Специфичното и повърхностно съпротивление определят своето, а основният компонент за кварца е по-висок, така че пиезоелектричният преобразувател трябва да бъде запечатан. В резултат на това качеството се подобрява и повърхността е защитена от влага и замърсяване. Схемите за измерване на сензори са създадени като усилватели с високо съпротивление, които се основават на изходен етап на транзистор с полеви ефект и неинвертивен усилвател с работно устройство. Напрежението се подава към входа и изхода.
Въпреки това, този остарял пиезоелектричен преобразувател имаше недостатъци:
- зависимост на изходното напрежение и чувствителността по отношение на обема на сензора;
- нестабилен капацитет, който се променя поради температурни условия.
Напрежението на усилвателя и чувствителността се определят от допустимата грешка, ако включеният стабилен обем се допълни с C1. Формула: ys=(ΔCo + ΔCk)/(Co+Ck +C1). След трансформацията получаваме: S=Ubx/F. Ако коефициентът се увеличава, съответно и тези променливи се увеличават. Измервателната верига се характеризира с:
- постоянна времева линия;
- съпротивлението R се определя от входно усилване, изолация на сензори, кабели и R3;
- MOS транзисторите са по-силни от полеви устройства, но имат високо ниво на шум;
- R3 стабилизира напрежението, стойността му се изчислява като ~ 1011 Ohm.
Анализирайки последната променлива, можем да приемем, че постоянната времева линия е както следва: t ≦ 1c. Устройствата днес могат да използват пиезоелектрични сензори с усилватели на напрежение за зареждане.
Предимства на устройството
Пиезоелектричният преобразувател има следните предимства:
- лесно структурно сглобяване;
- размери;
- надеждност;
- преобразуване на механичното напрежение в електрически заряд;
- променливи, които могат да бъдат измерени бързо.
В случай на материал като кварц, който е близо до идеалното състояние на тялото, трансформацията на механиката в електрически заряд е възможна с минимална грешка от -4 до -6. Въпреки това, развитието на високоточна технология подобри способността за реализиране на точност без загуби. В резултат на това можем да заключим, че тези пиезоелектрични преобразуватели са най-подходящи за измерване на сили, налягане и други елементи.
PET ускорението има следната структура:
- всички материали са прикрепени към титаниевата основа;
- двама едновременно включени пиезоелектрични елементиот кварц;
- инерционна маса с висока плътност, проектирана за минимални размери;
- отстраняване на сигнал с месингово фолио;
- тя от своя страна е свързана към кабел, който е запоен;
- сензор, покрит с капачка, завинтена в основата;
- за да фиксирате измервателния уред върху обекта, отрежете конеца.
Въпреки масата, сензорът е доста стабилен и плътен. Работи при 150 m/s2.
Дизайн характеристики на конвертори
Ако е необходимо да се изработи сензор за акселерометър, важно е правилно да прикрепите пиезочувствителните плочи към основата. Това действие се извършва чрез запояване. Кабелът трябва да отговаря на следните изисквания:
- изолационното съпротивление трябва да е високо;
- екранът е поставен до хола;
- антивибрация;
- гъвкавост.
Тоест кабелът не трябва да се разклаща на входа на усилвателя. Измервателната верига е създадена симетрично, така че да не се появяват смущения. В сензора връзката е асиметрична, съпротивлението на проводниците и корпуса е свързано по такъв начин, че да се получи изолацията на външните плочи. За да се постигне желаният резултат, измервателният уред трябва да бъде направен от нечетен брой материали, които се използват в процеса. Елементите се притискат към усилвателя през отвори в централната част и през изолатори, които се завинтват към корпуса.
Характеристики на устройствата за измерване на вибрации
За повишаване на чувствителността на измервателния уред е необходимо да се използват пиезоелектрични елементи с висок модул. Товаматериалът се полага успоредно в един ред и се свързва с метални уплътнения и плочи. За подобен ефект все още могат да се използват вещества, които действат при огъване. Те обаче са с ниска честота и по-ниски от механиката на компресия.
Материалът може да бъде биморфен, обикновено се събира последователно или паралелно, всичко зависи от положително разположените оси. По правило това са две плочи. Ако се вземе предвид неутралния слой, вместо пиезоелектричен елемент може да се използва метално покритие със средна дебелина.
За измерване на сигнали, които се движат достатъчно бавно, направете следното:
- пиезоелектричен преобразувател, включен в осцилатора;
- кристалът е на резонансна честота;
- веднага щом настъпи натоварването, индикаторите ще се променят.
Днес пиезо акселерометрите са усъвършенствани устройства, които могат да бъдат високочестотни, със силна чувствителност.
Алтернативен източник на енергия чрез преобразуватели
Едно от известните и неизчерпаеми средства за генериране на електричество е вълновата енергия. Такива станции се монтират директно във водната среда. Това явление се свързва със слънчевите лъчи, които нагряват масата на въздуха, поради което възникват вълни. Валът на това явление има енергийна интензивност, която се определя от силата на вятъра, ширината на въздушните фронтове, продължителността на поривите.
Стойността може да варира в плитка вода или да достигне 100 kW на метър. Пиезоелектричният вълнов преобразувател на енергия работи на определен принцип. Нивото на водата се повишава с помощта на вълна, при това въздухът се изстисква от съда. След това потоците се преминават през реверсивна турбина. Устройството се върти в определена посока, независимо от движението на вълните.
Това устройство има положителна характеристика. До днес не се предвижда подобрение на дизайна, тъй като ефективността и принципът на действие са доказани по всички съществуващи начини. В процеса на технологичния прогрес могат да се изграждат плаващи станции.
Ултразвуков пиезоелектричен преобразувател
Това устройство е проектирано по такъв начин, че не изисква допълнителни настройки. Снабден е с блок памет, който дава техническия резултат. Отнася се за контролно-измервателни устройства. Такива устройства се различават по вид, технически характеристики, които се съставят въз основа на данни за проектиране и предназначение с минимални грешки. Всички изисквания се вземат предвид въз основа на дизайна.
За всички такива устройства е предвидена стандартна схема за създаване: дефектоскоп, корпус, електроди, основният елемент, който се закрепва към основата, сърцевина, фолио и други материали. Ултразвуков пиезоелектричен преобразувател е полезен модел. Позволява ви да получавате данни директно с помощта на звука, инсталиран на основата на устройството.
Приложения за пиезо трансдюсер
Устройства сдиректен ефект се използват в инструменти, които измерват сила, налягане, ускорение. Те имат високо ниво на честота и грубост. Апаратът с обратна връзка се използва при ултразвукови вибрации, преобразуване на напрежението в деформация, балансиране. Ако и двата ефекта се вземат предвид едновременно, тогава тази опция е подходяща за пиезорезонатори, които преобразуват един вид енергия в друг доста бързо.
Положителните устройства, свързани в обратна посока, работят на автоматични трептения и се използват в генератори. Обхватът на тяхното приложение е широк, тъй като те имат висока стабилност, когато са правилно създадени. Често се използват няколко пиезо резонатора за постигане на желания ефект и получаване на правилната информация.
Недостатъци на преобразувателите
Тези устройства имат огромен брой положителни аспекти. Те обаче имат и отрицателни характеристики:
- изходно съпротивление - максимално;
- измервателните вериги и кабели трябва да бъдат създадени въз основа на строги изисквания и указания.
Изчисляването на пиезоелектричния преобразувател първоначално извежда формулата на уравнението за резонансната честота: Fp =0,24 ·c·. Дебелина на плочата: h=Fp a2 / 0,24 c=35 103 25 10 -6/ 0,24 2900=1,257 10-3m. Енергийните характеристики се изчисляват, както следва: Wak =Wak.ud S=40 4,53 10-3.
