ตัวแปลงสัญญาณ Piezoelectric: วัตถุประสงค์และการประยุกต์ใช้

ตัวแปลงเหล่านี้อยู่ในกลุ่มย่อยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในพื้นฐานของพวกเขาโดยวิธีการของกลศาสตร์ค่าไฟฟ้าสะสม เป็นผลให้ความสัมพันธ์ต่อไปนี้เป็นที่โดดเด่น: Q = d · P. ในกรณีนี้ d เป็น piezomodule และ P เป็นความพยายาม โดยปกติวัสดุที่เป็นผลึก, ทัวร์มาลีนผสมของการหลอม, แบเรียม, ตะกั่ว ในการออกแบบตัวแปลงสัญญาณ piezoelectric จำเป็นต้องใช้วงจรโหลด: บีบอัด, ดัด, เฉือน, ยืด

ผลกระทบ piezoelectric โดยตรงและย้อนกลับ

ผลโดยตรงคือลักษณะดังต่อไปนี้: วัสดุคริสตัลที่ใช้ในรูปแบบตาข่ายเนื่องจากไอออนประจุที่จัดเรียงตามลำดับ ในกระบวนการนี้ไม่เหมือนอนุภาคสลับกันและก่อให้เกิดการชดเชยซึ่งส่งผลให้เกิดความเป็นกลางทางไฟฟ้า คริสตัลมีคุณสมบัติที่กำหนดไว้ดังนี้:

• สมมาตรเกี่ยวกับแกน;
• โดยคำนึงถึงรูปแบบก่อนหน้านี้ตาข่ายกับไอออนปรากฏขึ้นซึ่งสลับกันและยกเลิกออก

ถ้าวัสดุที่ใช้ในกระบวนการถูกนำไปใช้กับแรง F_x, แล้วมัน deforms, ระยะห่างระหว่างค่าบวกและค่าลบการเปลี่ยนแปลงและทิศทางเป็น electrified ในแกนที่กำหนด ทั้งหมดนี้จะแสดงในสูตร q = d₁₁F_x และเป็นสัดส่วนกับแรง ค่าสัมประสิทธิ์ที่เกี่ยวข้องกับสารและสถานะของมันเรียกว่าโมดูล piezoelectric ดัชนีจะถูกกำหนดโดยความแรงและขอบ แต่ถ้าทิศทางมีการเปลี่ยนแปลงผลจะแตกต่างกัน

เครื่องแปลงสัญญาณแบบ Piezoelectric ด้วยระบบ directกระบวนการผลิตไฟฟ้าทำให้เกิดผลึกขึ้นภายใต้อิทธิพลของแรงภายนอก ผลกระทบนี้เกิดจากอิทธิพลของสารที่เป็นไฟฟ้า ในการทำเครื่องมือวัดคุณจะต้องใช้ผลึกควอทซ์ นั่นคือหลักการของตัวแปลงสัญญาณ piezoelectric มีดังต่อไปนี้: โดยมีผลโดยตรงผลกระทบจะเกิดขึ้นผ่านกลศาสตร์และเมื่อเกิดการย้อนกลับคริสตัลจะเปลี่ยนรูป

ผลกระทบ piezoelectric เพิ่มเติม

คริสตัลสามารถขั้วเมื่อแรงบนแกน X, Y ถูกนำมาใช้กับแผ่นถ้าแรง F_x , แล้วมีผลตามยาวและเมื่อ F_Y - ขวางกับ F_Z ค่าใช้จ่ายจะไม่เกิดขึ้น คริสตัลควอตซ์ตั้งอยู่บนแกนสามแฉก ในการใช้เครื่องแปลงสัญญาณ piezoelectric จำเป็นต้องตัดแผ่นออกซึ่งจะบ่งบอกถึงผลกระทบ มีคำอธิบายต่อไปนี้:

• ความแข็งแรงสูง;
• แรงดันไฟฟ้าได้ถึง 10⁸ N / m²ด้วยเหตุนี้กองกำลังที่สามารถวัดผลได้มากจึงเป็นไปได้
• ความแข็งและความยืดหยุ่น
• แรงเสียดทานน้อยที่สุดภายใน;
• ความมั่นคงที่ไม่เปลี่ยนแปลง
• ปัจจัยด้านคุณภาพสูงสุดของวัสดุที่ผลิต

แผ่นควอตซ์ใช้เฉพาะในแปลงที่วัดความดันและแรง เนื่องจากความแข็งของวัสดุเป็นเรื่องยากที่จะจัดการดังนั้นจึงสร้างรูปแบบง่ายๆ โมดูลมีค่าคงที่ที่อุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลง ถ้ามันเพิ่มขึ้นในกรณีนี้โมดูลจะลดลง คุณสมบัติ Piezoelectric หายไปที่อุณหภูมิ 573 องศาเซลเซียส

รายละเอียดของอุปกรณ์และวงจรวัด

ตัวแปลงความดัน piezoelectric มีโครงสร้างดังนี้

• เมมเบรนที่อยู่ด้านล่างของเปลือก;
• ฝาครอบด้านนอกมีพื้นและกลางเป็นฉนวนด้วยผลึก
• แผ่นมีความต้านทานสูงเชื่อมต่อแบบขนาน
• ฟอยล์และแกนด้านในของสายเคเบิลถูกยึดไว้ในรูที่ปิดโดยฝา

กำลังไฟขาออกมีค่าน้อยที่สุดในการเชื่อมต่อนี้ให้เครื่องขยายเสียงที่มีความต้านทานสูง ในความเป็นจริงแรงดันไฟฟ้าขึ้นอยู่กับความจุของวงจรอินพุท ลักษณะของตัวแปลงบ่งบอกถึงความไวและความจุ โดยทั่วไปค่านี้และประสิทธิภาพของอุปกรณ์เอง ถ้าคุณคำนวณทั้งหมดคุณจะได้รับกำลังขับต่อไปนี้: S_Q = q / F หรือ U_xx = d₁₁· F / C_โอ.

ในการขยายช่วงความถี่คุณต้องตัวแปรที่วัดได้ต่ำจะเพิ่มขึ้นตามช่วงเวลาที่คงที่ การดำเนินการดังกล่าวทำได้อย่างง่ายดายโดยรวมตัวเก็บประจุซึ่งอยู่คู่ขนานกับอุปกรณ์ ความจริงก็คือแรงดันขาออกจะลดลง ความต้านทานที่เพิ่มขึ้นจะขยายช่วงโดยไม่สูญเสียความไว แต่สำหรับการเพิ่มคุณภาพของฉนวนที่ดีขึ้นและเครื่องขยายเสียงที่มีอินพุตความต้านทานสูงมีความจำเป็น

รายละเอียดของวงจรการวัด

ความต้านทานเฉพาะและพื้นผิวที่กำหนดเป็นของตัวเองโดยมีส่วนประกอบหลักของผลึกสูงกว่าดังนั้นจึงต้องมีการผนึกตัวแปลงสัญญาณ piezoelectric เป็นผลให้คุณภาพเพิ่มขึ้นและพื้นผิวได้รับการปกป้องจากความชื้นและสิ่งสกปรก วงจรการวัดเซนเซอร์ถูกสร้างขึ้นเป็นตัวต้านทานความต้านทานสูงซึ่งขึ้นอยู่กับระยะเอาท์พุทของทรานซิสเตอร์สนามและแอมพลิฟายเออร์ที่ไม่ใช้กลับกับอุปกรณ์ปฏิบัติการ แรงดันไฟฟ้าไปที่อินพุตและเอาต์พุต

อย่างไรก็ตามในเครื่องแปลงสัญญาณ piezoelectric ล้าสมัยนี้มีข้อเสียคือ

• การพึ่งพาแรงดันเอาต์พุตและความไวในส่วนที่เกี่ยวกับปริมาตรของเซ็นเซอร์
• ความจุที่ไม่เสถียรซึ่งแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับสภาวะอุณหภูมิ

แรงดันและความไวของเครื่องขยายเสียงจะถูกกำหนดโดยข้อผิดพลาดที่ได้รับอนุญาตหากปริมาตร C มีเสถียรภาพ₁. สูตร: y_s = (ΔC_โอ + ΔC_k) / (C_โอ+ C_k + C₁) หลังจากการแปลงเราได้รับ: S = U_BX/ F. ถ้าค่าสัมประสิทธิ์เพิ่มขึ้นตามลำดับและตัวแปรเหล่านี้จะเพิ่มขึ้น สำหรับวงจรการวัดเป็นแบบทั่วไป:

• เส้นเวลาคงที่
• ความต้านทาน R ถูกกำหนดโดยการรับอินพุท, การแยกเซนเซอร์, สายเคเบิลและ R₃;
• ทรานซิสเตอร์ MIS มีแรงกว่าอุปกรณ์ภาคสนาม แต่มีระดับเสียงสูง
• R₃ stabilizes แรงดันไฟฟ้าค่าของมันจะถูกคำนวณเป็น _~ 10¹¹ โอห์ม

การวิเคราะห์ตัวแปรสุดท้ายคุณสามารถทำได้สมมติว่าเส้นเวลาคงที่มีดังต่อไปนี้: t ≤ 1c วันนี้อุปกรณ์สามารถใช้เซ็นเซอร์ piezoelectric สำหรับชาร์จกับเครื่องขยายแรงดันไฟฟ้า

ลักษณะที่เป็นประโยชน์ของอุปกรณ์

ตัวแปลงสัญญาณ piezoelectric มีข้อดีดังต่อไปนี้:

• ความเรียบง่ายของการประกอบโครงสร้าง
• ขนาดโดยรวม
• ความน่าเชื่อถือ
• การเปลี่ยนความเครียดเชิงกลเป็นประจุไฟฟ้า
• ตัวแปรที่สามารถวัดได้อย่างรวดเร็ว

ในกรณีของวัสดุเช่นควอตซ์ซึ่งอยู่ใกล้กับสถานะที่เหมาะของร่างกายการเปลี่ยนแปลงของกลศาสตร์เป็นประจุไฟฟ้าเป็นไปได้ด้วยข้อผิดพลาดอย่างน้อย -4 ถึง -6 อย่างไรก็ตามการพัฒนาเทคโนโลยีที่มีความแม่นยำสูงได้ปรับปรุงความสามารถในการรับรู้ความถูกต้องโดยไม่สูญเสีย เป็นผลให้เราสามารถสรุปได้ว่าตัวแปลงสัญญาณ piezoelectric เหล่านี้เหมาะสมที่สุดสำหรับแรงดันและองค์ประกอบวัดอื่น ๆ

ความเร่ง PEP มีการก่อสร้างดังนี้:

• วัสดุทั้งหมดติดอยู่กับฐานไททาเนียม
• สองพร้อมกันเปลี่ยนองค์ประกอบ piezoelectric ของผลึก;
• มวลเฉื่อยความหนาแน่นสูงถูกออกแบบมาสำหรับขนาดต่ำสุด
• การกำจัดสัญญาณด้วยฟอยล์ทองเหลือง
• ในทางกลับกันเชื่อมต่อกับสายเคเบิลที่บัดกรี
• เซ็นเซอร์ถูกปิดด้วยฝาครอบที่ยึดอยู่กับฐาน
• เพื่อเพิ่มความเข้มแข็งของมิเตอร์บนวัตถุให้ตัดด้าย

แม้จะมีมวลเซนเซอร์ค่อนข้างมีเสถียรภาพและหนาแน่น ทำงานในช่วง 150 m / s².

คุณสมบัติการออกแบบของตัวแปลง

หากจำเป็นต้องใช้เซ็นเซอร์วัดความเร่ง (accelerometer)สิ่งสำคัญคือควรแนบแผ่น piezoelectric กับฐานอย่างถูกต้อง การดำเนินการนี้ดำเนินการโดยการบัดกรี สายเคเบิลต้องเป็นไปตามข้อกำหนดต่อไปนี้:

• ความต้านทานฉนวนต้องสูง;
• หน้าจออยู่ถัดจากพื้นที่ใช้สอย
• ป้องกันการสั่นสะเทือน;
• มีความยืดหยุ่น

นั่นคือการป้อนข้อมูลของเครื่องขยายเสียงไม่ควรทำเขย่าสาย วงจรการวัดจะสร้างสมมาตรเพื่อไม่ให้เกิดสัญญาณรบกวนใด ๆ ในเซ็นเซอร์การเชื่อมต่อไม่สมมาตรความต้านทานของขั้วต่อและตัวเครื่องจะเชื่อมต่ออยู่ในลักษณะที่แผ่นภายนอกได้รับ เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ต้องการมิเตอร์ต้องปฏิบัติจากวัสดุแปลกปลอมที่ใช้ในกระบวนการ องค์ประกอบถูกกดเข้ากับเครื่องขยายเสียงผ่านรูตรงกลางและผ่านฉนวนที่ยึดกับตัวเครื่อง

คุณสมบัติของอุปกรณ์ที่วัดการสั่นสะเทือน

เพื่อเพิ่มความไวของการวัดอุปกรณ์จำเป็นต้องใช้ piezoelements ที่มีโมดูลัสสูง วัสดุนี้วางเรียงขนานกันเป็นแถวและต่อด้วยปะเก็นและแผ่นโลหะ สำหรับผลกระทบนี้สารที่ใช้ในการดัดยังสามารถใช้งานได้ อย่างไรก็ตามพวกเขามีความถี่ต่ำและต่ำกว่ากลไกการบีบอัด

วัสดุสามารถ bimorph เป็นปกติรวบรวมในชุดหรือขนานทั้งหมดขึ้นอยู่กับแกนตั้งบวก ตามกฎเหล่านี้เป็นสองแผ่น ถ้าคุณคำนึงถึงชั้นที่เป็นกลางจากนั้นแทนที่จะใช้วงแหวน piezoelement สามารถใช้แผ่นโลหะที่มีความหนาเฉลี่ย

ในการวัดสัญญาณที่เคลื่อนที่ช้าพอคุณต้องทำดังนี้

• ตัวแปลงสัญญาณ piezoelectric รวมอยู่ในตัวกำเนิดไฟฟ้าอัตโนมัติ (Autogenerator)
• คริสตัลอยู่ที่ความถี่เรโซแนนซ์
• ทันทีที่มีการโหลดตัวชี้วัดจะเปลี่ยนไป

วันนี้ piezoaccelerometers เป็นเครื่องมือขั้นสูงที่สามารถใช้งานได้ในความถี่สูงและมีความไวสูง

แหล่งพลังงานทดแทนผ่านตัวแปลง

หนึ่งในวิธีที่มีชื่อเสียงและไม่รู้จักเหน็ดเหนื่อยการไฟฟ้าคือพลังงานของคลื่น สถานีดังกล่าวติดตั้งโดยตรงในสภาพแวดล้อมทางน้ำ ปรากฏการณ์นี้เกี่ยวข้องกับรังสีดวงอาทิตย์ซึ่งทำให้ความร้อนของอากาศเนื่องจากคลื่นที่เกิดขึ้น เพลาของปรากฏการณ์นี้มีความเข้มของพลังงานซึ่งกำหนดโดยความแรงของลมความกว้างของหน้าอากาศช่วงเวลาของลมกระโชก

ค่าอาจมีความผันผวนในน้ำตื้นหรือถึง 100 กิโลวัตต์ต่อเมตร ตัวแปลงพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทำงานตามหลักการที่กำหนด ระดับน้ำเพิ่มขึ้นผ่านคลื่นในอากาศกระบวนการถูกบีบออกจากเรือ จากนั้นกระแสจะถูกส่งผ่านกังหันแบบย้อนกลับ หน่วยหมุนไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่งโดยไม่คำนึงถึงการเคลื่อนที่ของคลื่น

อุปกรณ์นี้มีลักษณะเป็นบวก จนถึงวันนี้การปรับปรุงการออกแบบไม่ได้เป็นที่คาดการณ์เนื่องจากประสิทธิภาพและหลักการทำงานได้รับการพิสูจน์ด้วยวิธีการที่มีอยู่ทั้งหมด ในกระบวนการของความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีสถานีลอยอาจจะสร้างขึ้น

transducer piezoelectric ล้ำเสียง

อุปกรณ์นี้ได้รับการออกแบบมาในลักษณะที่ไม่ต้องใช้การตั้งค่าขั้นสูง มันเป็นอุปกรณ์ที่มีบล็อกหน่วยความจำซึ่งจะให้ผลทางเทคนิค หมายถึงเครื่องมือวัด อุปกรณ์ดังกล่าวมีลักษณะและลักษณะทางเทคนิคที่แตกต่างกันไปซึ่งขึ้นอยู่กับข้อมูลการออกแบบและการออกแบบที่มีข้อผิดพลาดน้อยที่สุด ข้อกำหนดทั้งหมดจะถูกนำมาพิจารณาโดยพิจารณาจากการออกแบบ

สำหรับอุปกรณ์ดังกล่าวทั้งหมดมีให้การออกแบบมาตรฐาน: defectoscope, ร่างกาย, ขั้วไฟฟ้า, องค์ประกอบหลักซึ่งยึดกับฐาน, หลอดเลือดดำ, ฟอยล์และวัสดุอื่น ๆ เครื่องแปลงสัญญาณ piezoelectric ล้ำเสียงเป็นรูปแบบที่เป็นประโยชน์ ช่วยให้คุณสามารถรับข้อมูลได้โดยตรงจากเสียงที่ติดตั้งอยู่บนฐานของอุปกรณ์

พื้นที่ของการประยุกต์ใช้ตัวแปลงสัญญาณ piezoelectric

มีการใช้อุปกรณ์ที่มีผลโดยตรงเครื่องมือที่ใช้วัดแรงดันความเร่ง พวกเขามีระดับความถี่และความแข็งแกร่งสูง เครื่องที่มีข้อเสนอแนะใช้ในการสั่นสะเทือนอัลตราโซนิกการเปลี่ยนแปลงของความเครียดในการเปลี่ยนรูปสมดุล ถ้าผลกระทบทั้งสองถูกนำมาพิจารณาพร้อม ๆ กันตัวเลือกนี้เหมาะสำหรับ piezoresonators ซึ่งจะแปลงพลังงานหนึ่งชนิดให้กลายเป็นอีกหนึ่งชนิดได้อย่างรวดเร็ว

บวกอุปกรณ์รวมอยู่ในสิ่งที่ตรงกันข้ามทิศทางทำงานโดยอัตโนมัติและใช้ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า พื้นที่ของแอพพลิเคชั่นของพวกเขากว้างขวางเนื่องจากมีเสถียรภาพสูงเมื่อสร้างอย่างถูกต้อง มักใช้ piezoresonators หลายตัวเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ต้องการและได้รับข้อมูลที่ถูกต้อง

ข้อเสียของตัวแปลง

ในอุปกรณ์เหล่านี้มีจำนวนมากของด้านบวก อย่างไรก็ตามพวกเขายังมีคุณสมบัติเชิงลบ:

• ความต้านทานขาออกเป็นค่าสูงสุด
• ต้องมีการสร้างวงจรและวงจรการวัดขึ้นอยู่กับข้อกำหนดและคำแนะนำที่เข้มงวด

การคำนวณตัวแปลงสัญญาณ piezoelectric แรกมาสูตรสมการสำหรับความถี่ resonant: F_พี = 0.24 · s ·. ความหนาของแผ่น: h = F_พี · A² / 0.24 · c = 35 · 10³ · 25 · 10^-6/ 0.24 · 2900 = 1.257 · 10^-3ม. คุณลักษณะด้านพลังงานคำนวณดังนี้ W_{อลาสกา} = W_ak.ud · S = 40 · 4.53 · 10^-3.