In unserem täglichen Leben stoßen wir auf verschiedene Situationen, in denen wir physikalische Größen wie mechanische Beanspruchung von Metall, Temperaturniveaus, Druckniveaus usw. messen müssen. Für all diese Anwendungen benötigen wir ein Gerät, das diese unbekannten Größen in Einheiten und messen kann uns vertraute Kalibrierungen. Ein solches Gerät, das für uns am nützlichsten ist, ist das TRANSDUCER . Der Wandler ist ein elektrisches Gerät, das jede Art von physikalischer Größe in Form einer proportionalen elektrischen Größe entweder als Spannung oder umwandeln kann elektrischer Strom . Aus dem großen Pool verschiedener Wandlertypen soll in diesem Artikel erläutert werden piezoelektrische Wandler .
Was ist ein piezoelektrischer Wandler?
Das Definition eines piezoelektrischen Wandlers ist ein elektrischer Wandler die jede Form von konvertieren kann physikalische Größe in ein elektrisches Signal , die zur Messung verwendet werden kann. Ein elektrischer Wandler, der Eigenschaften von piezoelektrischen Materialien zur Umwandlung physikalischer Größen in elektrische Signale verwendet, ist als a bekannt piezoelektrischer Wandler.
Piezoelektrischer Wandler
Piezoelektrische Materialien weisen die Eigenschaft von auf Piezoelektrizität , wonach beim Anlegen jeglicher Art von mechanischer Beanspruchung oder Dehnung zur Erzeugung einer elektrischen Spannung proportional zur angelegten Beanspruchung führt. Diese erzeugte elektrische Spannung kann unter Verwendung von Spannung gemessen werden Messgeräte um den Wert der auf das Material ausgeübten Spannung oder Dehnung zu berechnen.
Arten von piezoelektrischen Materialien
Einige der Arten von piezoelektrischen Materialien sind:
Natürlich verfügbare: Quarz, Rochellesalz, Topas, Mineralien der Turmalingruppe und einige organische Substanzen wie Seide, Holz, Zahnschmelz, Knochen, Haare, Gummi, Dentin. Künstlich hergestellt piezoelektrische Materialien sind Polyvinylidendifluorid, PVDF oder PVF2, Bariumtitanat, Bleititanat, Bleizirkonattitanat (PZT), Kaliumniobat, Lithiumniobat, Lithiumtantalat und andere bleifreie piezoelektrische Keramiken.
Nicht alle piezoelektrischen Materialien können in verwendet werden piezoelektrische Wandler . Die als Wandler zu verwendenden piezoelektrischen Materialien müssen bestimmte Anforderungen erfüllen. Die zu Messzwecken verwendeten Materialien sollten Frequenzstabilität, hohe Ausgangswerte, unempfindlich gegenüber extremen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen aufweisen und in verschiedenen Formen erhältlich sein oder flexibel sein, um in verschiedenen Formen hergestellt zu werden, ohne ihre Eigenschaften zu beeinträchtigen.
Leider gibt es kein piezoelektrisches Material, das all diese Eigenschaften aufweist. Quarz ist ein hochstabiler Kristall, der natürlich verfügbar ist, aber geringe Ausgangspegel aufweist. Langsam variierende Parameter können mit Quarz gemessen werden. Rochellesalz liefert die höchsten Ausgangswerte, ist jedoch empfindlich gegenüber Umgebungsbedingungen und kann nicht über 1150 ° F betrieben werden.
Piezoelektrischer Wandler funktioniert
Piezoelektrischer Wandler arbeitet mit dem Prinzip der Piezoelektrizität. Die Flächen aus piezoelektrischem Material, üblichem Quarz, sind mit einer dünnen Schicht aus leitendem Material wie Silber beschichtet. Wenn Spannung ausgeübt wurde, bewegen sich die Ionen im Material zu einer der leitenden Oberflächen, während sie sich von der anderen wegbewegen. Dies führt zur Erzeugung von Ladung. Diese Ladung wird zur Kalibrierung von Stress verwendet. Die Polarität der erzeugten Ladung hängt von der Richtung der angelegten Spannung ab. Stress kann in zwei Formen als C angewendet werden Druck und Zugspannung Wie nachfolgend dargestellt.
Arbeiten eines piezoelektrischen Wandlers
Piezoelektrische Wandlerformel
Die Ausrichtung des Kristalls beeinflusst auch die erzeugte Spannungsmenge. Kristall in einem Wandler kann in angeordnet werden Längsposition oder Querstellung .
Piezoelektrische Wandlerformel
Längs- und Quereffekt
Im Längseffekt ist die erzeugte Ladung gegeben durch
Q = F * d
Wobei F die aufgebrachte Kraft ist, ist d der piezoelektrische Koeffizient des Kristalls.
Der piezoelektrische Koeffizient d des Quarzkristalls liegt bei 2,3 * 10-12C / N.
Im Quereffekt ist die erzeugte Ladung gegeben durch
Q = F * d * (b / a)
Wenn das Verhältnis b / a größer als 1 ist, ist die durch Queranordnung erzeugte Ladung größer als die durch Längsanordnung erzeugte Menge.
Piezoelektrische Wandlerschaltung
Die Funktionsweise eines grundlegenden piezoelektrischen Wandlers kann durch die folgende Abbildung erklärt werden.
Piezoelektrische Wandlerschaltung
Hier wird mit Silber beschichteter Quarzkristall als Sensor verwendet, um bei Belastung eine Spannung zu erzeugen. Ein Ladungsverstärker wird verwendet, um die erzeugte Ladung ohne Verlustleistung zu messen. Um sehr geringen Strom zu ziehen, ist der Widerstand R1 sehr hoch. Die Kapazität des Anschlusskabels, das den Wandler und verbindet piezoelektrischer Sensor wirkt sich auch auf die Kalibrierung aus. Daher befindet sich der Ladungsverstärker normalerweise sehr nahe am Sensor.
So wird in einem piezoelektrischen Wandler beim Anlegen einer mechanischen Spannung eine proportionale elektrische Spannung erzeugt, die unter Verwendung eines Ladungsverstärkers verstärkt und zur Kalibrierung der angelegten Spannung verwendet wird.
Piezoelektrischer Ultraschallwandler
Der piezoelektrische Ultraschallwandler arbeitet nach dem Prinzip der Umkehrung piezoelektrischer Effekt . Bei diesem Effekt erfährt Elektrizität, wenn sie an ein piezoelektrisches Material angelegt wird, physikalische Verformungen, die proportional zur angelegten Ladung sind. Die Schaltung der Ultraschallwandler ist unten angegeben.
Piezoelektrischer Ultraschallwandler
Hier das Quartz Kristall wird zwischen zwei Metallplatten A und B angeordnet, die mit der Primärwicklung L3 des Transformators verbunden sind. Die Primärwicklung des Transformators ist induktiv mit dem gekoppelt elektronischer Oszillator . Die Spulen L1 und L2, die die Sekundärseite des Transformators bilden, sind mit dem elektronischen Oszillator verbunden.
Beim Einschalten der Batterie erzeugt der Oszillator hochfrequente Wechselspannungsimpulse mit einer Frequenz f = 1 ÷ (2π√L1C1). Aufgrund dessen wird in L3 eine EMF induziert, die über die Platten A und B auf den Quarzkristall übertragen wird. Aufgrund des umgekehrten piezoelektrischen Effekts beginnt sich der Kristall alternativ zusammenzuziehen und auszudehnen, wodurch mechanische Schwingungen erzeugt werden.
Resonanz findet statt, wenn die Frequenz des elektronischer Oszillator ist gleich der Eigenfrequenz des Quarzes. Zu diesem Zeitpunkt produziert Quarz longitudinale Ultraschallwellen von großer Amplitude.
Piezoelektrische Wandleranwendungen
- Da piezoelektrische Materialien keine statischen Werte messen können, werden diese hauptsächlich zur Messung der Oberflächenrauheit, in Beschleunigungsmessern und als Schwingungsaufnehmer verwendet.
- Sie werden in verwendet Seismographen Schwingungen in Raketen zu messen.
- In Dehnungsmessstreifen zur Messung von Kraft, Spannung, Vibrationen usw.
- Wird von der Automobilindustrie zur Messung von Detonationen in Motoren verwendet.
- Diese werden in verwendet Ultraschallbildgebung in medizinischen Anwendungen.
Vor- und Nachteile von piezoelektrischen Wandlern
Die Vor- und Nachteile von piezoelektrischen Wandlern umfassen Folgendes.
Vorteile
- Diese sind aktive Wandler, d. H. Sie benötigen keine externe Energie zum Arbeiten und erzeugen sich daher selbst.
- Der Hochfrequenzgang dieser Wandler ist eine gute Wahl für verschiedene Anwendungen.
Einschränkungen
- Temperatur- und Umgebungsbedingungen können das Verhalten des Wandlers beeinflussen.
- Sie können nur den sich ändernden Druck messen, daher sind sie beim Messen statischer Parameter unbrauchbar.
Das ist also alles über Piezoelektrischer Wandler , Arbeitsprinzip, Formel, Schaltung mit Arbeitsweise, Vorteile, Einschränkungen und auch Anwendungen. Aus den obigen Informationen ergeben sich verschiedene Anwendungen von piezoelektrischen Wandlern, wie wir diskutiert haben. Für welche Anwendung haben Sie den piezoelektrischen Wandler verwendet? Wie war deine Erfahrung?
