U svakodnevnom životu susrećemo se sa raznim situacijama u kojima moramo mjeriti fizičke veličine poput mehaničkog naprezanja na metal, razine temperature, razine tlaka itd. Za sve ove primjene potreban nam je uređaj koji bi mogao mjeriti te nepoznate veličine u jedinicama i nama poznate kalibracije. Jedan od takvih uređaja koji nam je najkorisniji je PRETVARAČ . Pretvarač je električni uređaj koji može pretvoriti bilo koju vrstu fizičke veličine u obliku proporcionalne električne veličine bilo kao napon ili električna struja . Iz velikog bazena različitih vrsta pretvarača, ovaj članak želi objasniti o piezoelektrični pretvarači .
Što je piezoelektrični pretvarač?
The definicija piezoelektričnog pretvarača je električni pretvarač koji mogu pretvoriti bilo koji oblik fizička veličina u električni signal , koji se mogu koristiti za mjerenje. Električni pretvarač koji koristi svojstva piezoelektričnih materijala za pretvorbu fizičkih veličina u električne signale poznat je kao piezoelektrični pretvarač.
Piezoelektrični pretvarač
Piezoelektrični materijali pokazuju svojstvo piezoelektričnost , prema kojem pri primjeni bilo koje vrste mehaničkog naprezanja ili naprezanja dolazi do stvaranja električnog napona proporcionalnog primijenjenom naprezanju. Ovaj proizvedeni električni napon može se izmjeriti pomoću napona mjerni instrumenti za izračunavanje vrijednosti naprezanja ili naprezanja nanesenog na materijal.
Vrste piezoelektričnih materijala
Neke od vrsta piezoelektričnih materijala su:
Prirodno dostupni: Kvarc, sol Rochelle, topaz, minerali iz skupine turmalina i neke organske tvari poput svile, drveta, cakline, kostiju, kose, gume, dentina. Umjetno proizvodi piezoelektrični materijali su poliviniliden difluorid, PVDF ili PVF2, barijev titanat, olovni titanat, olovni cirkonat titanat (PZT), kalijev niobat, litijev niobat, litijev tantalat i druga piezoelektrična keramika bez olova.
Ne mogu se svi piezoelektrični materijali koristiti u piezoelektrični pretvarači . Postoje određeni zahtjevi koje trebaju ispuniti piezoelektrični materijali koji će se koristiti kao pretvarači. Materijali koji se koriste u svrhu mjerenja trebali bi imati stabilnost frekvencije, visoke izlazne vrijednosti, neosjetljivi na ekstremne uvjete temperature i vlage i koji mogu biti dostupni u raznim oblicima ili trebaju biti fleksibilni za proizvodnju u razne oblike bez narušavanja njihovih svojstava.
Nažalost, ne postoji piezoelektrični materijal koji ima sva ta svojstva. Kvarcni je visoko stabilni kristal koji je prirodno dostupan, ali ima malu razinu izlaza. Polako promjenjivi parametri mogu se mjeriti kvarcom. Rochelle sol daje najviše izlazne vrijednosti, ali je osjetljiva na uvjete okoliša i ne može se koristiti iznad 1150F.
Djeluje piezoelektrični pretvarač
Piezoelektrični pretvarač radi s principom piezoelektričnosti. Lica piezoelektričnog materijala, uobičajenog kvarca, presvučena su tankim slojem provodnog materijala poput srebra. Kada se pojave naprezanja, ioni u materijalu kreću se prema jednoj od provodnih površina, odmičući se od druge. To rezultira stvaranjem naboja. Taj se naboj koristi za umjeravanje naprezanja. Polaritet proizvedenog naboja ovisi o smjeru primijenjenog naprezanja. Stres se može primijeniti u dva oblika kao C ompresivni stres i Vlačno naprezanje kako je prikazano dolje.
Rad piezoelektričnog pretvarača
Formula piezoelektričnog pretvarača
Orijentacija kristala također utječe na količinu generiranog napona. Kristal u pretvaraču može se složiti u uzdužni položaj ili poprečni položaj .
Formula piezoelektričnog pretvarača
Uzdužni i poprečni učinak
U uzdužnom učinku, generirani naboj daje se
Q = F * d
Gdje je F primijenjena sila, d je piezoelektrični koeficijent kristala.
Piezoelektrični koeficijent d kvarcnog kristala je oko 2,3 * 10-12C / N.
U poprečnom efektu generirani naboj daje se
Q = F * d * (b / a)
Kada je omjer b / a veći od 1, naboj proizveden poprečnim rasporedom bit će veći od iznosa koji nastaje uzdužnim rasporedom.
Kružni krug piezoelektričnog pretvarača
Rad osnovnog piezoelektričnog pretvarača može se objasniti donjom slikom.
Kružni krug piezoelektričnog pretvarača
Ovdje se kvarcni kristal presvučen srebrom koristi kao senzor za generiranje napona kada se na njega izvrši stres. Pojačalo naboja koristi se za mjerenje proizvedenog naboja bez rasipanja. Da bi se povukla vrlo mala struja, otpor R1 je vrlo velik. Kapacitet olovne žice koja povezuje pretvarač i piezoelektrični senzor također utječe na kalibraciju. Tako je pojačalo punjenja obično postavljeno vrlo blizu senzora.
Tako se u piezoelektričnom pretvaraču kada se primjenjuje mehaničko naprezanje stvara proporcionalni električni napon koji se pojačava pomoću pojačala naboja i koristi za kalibraciju primijenjenog naprezanja.
Piezoelektrični ultrazvučni pretvarač
Ultrazvučni piezoelektrični pretvarač radi na principu obrnutog piezoelektrični efekt . U tom učinku, kada se električna energija primijeni na piezoelektrični materijal, on prolazi kroz fizičke deformacije proporcionalne primijenjenom naboju. Krug sklopa ultrazvučni pretvarač je dan u nastavku.
Ultrazvučni piezoelektrični pretvarač
Evo, kvarcni kristal postavljen je između dvije metalne ploče A i B koje su povezane s primarnim L3 transformatora. Primarni transformator je induktivno povezan sa elektronički oscilator . Zavojnice L1 i L2, koje čine sekundarne transformatore, povezane su s elektroničkim oscilatorom.
Kad je baterija UKLJUČENA, oscilator proizvodi visokofrekventne impulse naizmjeničnog napona s frekvencijom f = 1 ÷ (2π√L1C1). Zbog toga se u L3 inducira e.m.f koji se preko ploča A i B. prenosi na kvarcni kristal. Zbog obrnutog piezoelektričnog efekta kristal se počinje alternativno skupljati i širiti stvarajući tako mehaničke vibracije.
Rezonancija se događa kada frekvencija elektronički oscilator jednak je prirodnoj frekvenciji kvarca. U ovom trenutku proizvodi kvarc uzdužni ultrazvučni valovi velike amplitude.
Primjene piezoelektričnih pretvarača
- Kako piezoelektrični materijali ne mogu izmjeriti statičke vrijednosti, oni se prvenstveno koriste za mjerenje hrapavosti površine, u akcelerometrima i kao podmetač vibracija.
- Koriste se u seizmografi za mjerenje vibracija u raketama.
- U tenzometrima za mjerenje sile, naprezanja, vibracija itd.
- Koristi ga automobilska industrija za mjerenje detonacija u motorima.
- Oni se koriste u ultrazvučno slikanje u medicinskoj primjeni.
Prednosti i ograničenja piezoelektričnih pretvarača
Prednosti i ograničenja piezoelektričnih pretvarača uključuju sljedeće.
Prednosti
- To su aktivni pretvarači, tj. Ne trebaju vanjsku snagu za rad, pa se stoga sami generiraju.
- Visokofrekventni odziv ovih pretvarača čini dobar izbor za razne primjene.
Ograničenja
- Temperatura i uvjeti okoliša mogu utjecati na ponašanje pretvarača.
- Oni mogu mjeriti samo promjenjivi tlak, stoga su beskorisni dok mjere statičke parametre.
Dakle, ovdje se radi o svemu Piezoelektrični pretvarač , Načelo rada, Formula, Krug s radom, Prednosti, Ograničenja, a također i Primjene. Iz gornjih podataka postoje razne primjene piezoelektričnog pretvarača o kojima smo već razgovarali. Za koju ste primjenu koristili piezoelektrični pretvarač? Kakvo je bilo vaše iskustvo?
