I vårt dagliga liv stöter vi på olika situationer där vi måste mäta fysiska mängder som mekanisk belastning på metall, temperaturnivåer, trycknivåer etc. ... För alla dessa applikationer behöver vi en anordning som kan mäta dessa okända mängder i enheter och kalibreringar som vi känner till. En sådan enhet som är mest användbar för oss är TRANSDUCER . Omvandlaren är en elektrisk anordning som kan konvertera vilken typ av fysisk kvantitet som helst i form av proportionell elektrisk kvantitet antingen som spänning eller elektrisk ström . Från den stora poolen med olika typer av givare, syftar den här artikeln till att förklara om piezoelektriska givare .

Vad är piezoelektrisk omvandlare?

De definition av en piezoelektrisk omvandlare är en elektrisk givare som kan konvertera någon form av fysisk kvantitet till en elektrisk signal , som kan användas för mätning. En elektrisk omvandlare som använder egenskaper hos piezoelektriska material för omvandling av fysiska mängder till elektriska signaler kallas a piezoelektrisk omvandlare.

Piezoelektrisk omvandlare

Piezoelektriska material uppvisar egenskapen hos piezoelektricitet , enligt vilken vid applicering av någon typ av mekanisk spänning eller spänning leder till alstring av en elektrisk spänning som är proportionell mot den pålagda spänningen. Denna producerade elektriska spänning kan mätas med hjälp av spänning mätinstrument för att beräkna värdet av spänning eller belastning som appliceras på materialet

Typer av piezoelektriska material

Några av de typer av piezoelektriska material är:

Naturligt tillgängliga: Kvarts, Rochelle salt, Topaz, mineraler i turmalingruppen och några organiska ämnen som silke, trä, emalj, ben, hår, gummi, dentin. Tillverkar artificiellt piezoelektriska material är polyvinylidendifluorid, PVDF eller PVF2, bariumtitanat, blytitanat, blyzirkonattitanat (PZT), kaliumniobat, litiumniobat, litiumtantalat och andra blyfria piezoelektriska keramik.

Inte alla piezoelektriska material kan användas i piezoelektriska givare . Det finns vissa krav som de piezoelektriska materialen ska användas som omvandlare. Materialen som används för mätändamål bör ha frekvensstabilitet, höga utgångsvärden, okänsliga för extrema temperatur- och fuktförhållanden och som kan finnas i olika former eller bör vara flexibla för att tillverkas i olika former utan att störa deras egenskaper.

Tyvärr finns det inget piezoelektriskt material som har alla dessa egenskaper. Kvarts är en mycket stabil kristall som är naturligt tillgänglig men den har små utgångsnivåer. Långsamt varierande parametrar kan mätas med kvarts. Rochelle salt ger de högsta effektvärdena men det är känsligt för miljöförhållanden och kan inte drivas över 1150F.

Piezoelektrisk givare arbetar

Piezoelektrisk omvandlare fungerar med principen om piezoelektricitet. Ytorna på piezoelektriskt material, vanligt kvarts, är belagda med ett tunt skikt av ledande material såsom silver. När stress har applicerats rör sig jonerna i materialet mot en av den ledande ytan medan de rör sig bort från den andra. Detta resulterar i generering av laddning. Denna laddning används för kalibrering av stress. Polariteten hos den producerade laddningen beror på riktningen för den applicerade spänningen. Stress kan appliceras i två former som C ompressiv stress och Dragspänning enligt nedanstående.

Arbetar med en piezoelektrisk omvandlare

Piezoelektrisk omvandlarformel

Orienteringen av kristallen påverkar också mängden genererad spänning. Kristall i en givare kan ordnas i längsgående position eller tvärgående position .

Piezoelektrisk omvandlarformel

“exempel på styrsystem med öppen slinga ”

Längsgående och tvärgående effekt

I den längsgående effekten ges den laddning som genereras av

Q = F * d

Där F är den applicerade kraften, är d den piezoelektriska koefficienten för kristallen.

Piezoelektrisk koefficient d för kvartskristall är cirka 2,3 * 10^-12C / N.

I den tvärgående effekten ges den laddning som genereras av

Q = F * d * (b / a)

När förhållandet b / a är större än 1 kommer laddningen som produceras genom tvärarrangemang att vara större än den mängd som genereras av längsgående arrangemang.

Piezoelektrisk givarkrets

Funktionen för en grundläggande piezoelektrisk omvandlare kan förklaras med nedanstående figur.

Piezoelektrisk givarkrets

Här används kvartskristall belagd med silver som en sensor för att generera en spänning när påfrestning appliceras på den. En laddningsförstärkare används för att mäta den producerade laddningen utan avledning. För att dra mycket låg ström är motståndet R1 mycket högt. Kapacitansen hos ledningstråden som ansluter givaren och piezoelektrisk sensor påverkar också kalibreringen. Så laddningsförstärkaren placeras vanligtvis mycket nära sensorn.

Så i en piezoelektrisk omvandlare när mekanisk spänning appliceras genereras en proportionell elektrisk spänning som förstärks med hjälp av laddningsförstärkare och används för kalibrering av applicerad spänning.

Piezoelektrisk ultraljudsgivare

Den ultraljudspiezoelektriska omvandlaren fungerar på principen för det omvända piezoelektrisk effekt . I denna effekt när elektricitet appliceras på ett piezoelektriskt material genomgår det fysiska deformationer proportionellt mot applicerad laddning. Kretsen för ultraljudsgivare anges nedan.

Ultraljudspiezoelektrisk omvandlare

Här, den kvartskristall är placerad mellan två metallplattor A och B som är anslutna till transformatorns primära L3. Transformatorns primär är induktivt kopplad till elektronisk oscillator . Spolarna L1 och L2, som bildar sekundär för transformatorn, är anslutna till den elektroniska oscillatorn.

När batteriet slås PÅ producerar oscillatorn högfrekventa växelspänningspulser med frekvensen f = 1 ÷ (2π√L1C1). På grund av detta induceras en e.m.f i L3 som överförs till kvartskristallen genom plattorna A och B. På grund av den omvända piezoelektriska effekten börjar kristallen att krympa och expandera alternativt och därmed skapa mekaniska vibrationer.

Resonans sker när frekvensen av elektronisk oscillator är lika med kvartsens naturliga frekvens. Vid denna tidpunkt producerar kvarts längsgående ultraljudsvågor med stor amplitud.

Piezoelektriska givartillämpningar

Eftersom piezoelektriska material inte kan mäta statiska värden används de främst för att mäta ytjämnhet, i accelerometrar och som vibrationsupptagning.
De används i seismografer för att mäta vibrationer i raketer.
I töjningsmätare för att mäta kraft, spänning, vibrationer etc ...
Används av fordonsindustrin för att mäta detonationer i motorer.
Dessa används i ultraljudsavbildning inom medicinska tillämpningar.

Fördelar och begränsningar av piezoelektriska omvandlare

Fördelarna och begränsningarna med piezoelektriska omvandlare inkluderar följande.

Fördelar

Dessa är aktiva givare, dvs. de behöver inte extern ström för att arbeta och är därför självgenererande.
Dessa givares högfrekventa svar är ett bra val för olika applikationer.

Begränsningar

Temperatur- och miljöförhållanden kan påverka givarens beteende.
De kan bara mäta förändrat tryck och är därför värdelösa när de mäter statiska parametrar.

Således handlar det här om Piezoelektrisk omvandlare , Arbetsprincip, formel, krets med arbete, fördelar, begränsningar och även applikationer. Från ovanstående information finns det olika tillämpningar av piezoelektrisk omvandlare som vi har diskuterat. För vilken applikation har du använt den piezoelektriska givaren? Hur var din upplevelse?