Piezoelektrisk sensor: kredsløb, specifikationer og applikationer

Sensorer er enheder, der bruges til at opdage eller registrere de forskellige typer fysiske størrelser fra miljøet. Indgangen kan være lys, varme, bevægelse, fugt, tryk, vibrationer osv ... Den genererede output er normalt et elektrisk signal, der er proportionalt med den anvendte indgang. Denne udgang bruges til at kalibrere indgangen, eller udgangssignalet transmitteres over et netværk til videre behandling. Baseret på det input, der skal måles, findes der forskellige sensortyper. Kviksølvbaseret termometer fungerer som en temperatur måler , en iltføler i bilers emissionskontrolsystem registrerer ilt, fotosensor registrerer tilstedeværelsen af ​​synligt lys. I denne artikel vil vi beskrive piezoelektrisk sensor . Se linket for at vide mere om piezoelektrisk effekt .

Definition af en piezoelektrisk sensor

En sensor, der fungerer på princippet om piezoelektricitet er kendt som en piezoelektrisk sensor. Hvor piezoelektricitet er et fænomen hvor der genereres elektricitet hvis der påføres mekanisk belastning på et materiale. Ikke alle materialer har piezoelektriske egenskaber.

Piezoelektrisk sensor

Der findes forskellige typer piezoelektriske materialer. Eksempler på piezoelektriske materialer er naturligt tilgængelige enkeltkrystal kvarts, knogle osv ... Kunstigt fremstillet som PZT keramik osv ...

Arbejde med en piezoelektrisk sensor

De almindeligt målte fysiske størrelser af en piezoelektrisk sensor er acceleration og tryk. Både tryk- og accelerationssensorer arbejder på det samme princip med piezoelektricitet, men den største forskel mellem dem er den måde, hvorpå kraften påføres deres sensorelement.

I trykføleren placeres en tynd membran på en massiv base for at overføre den påførte kraft til piezoelektrisk element . Efter påføring af tryk på denne tynde membran belastes det piezoelektriske materiale og genererer elektriske spændinger. Den producerede spænding er proportional med den påførte mængde tryk.

I accelerometre , er seismisk masse fastgjort til krystalelementet for at overføre den påførte kraft til piezoelektriske materialer. Når bevægelse påføres, seismisk massebelastning er det piezoelektriske materiale i henhold til Newtons anden lov bevægelse. Det piezoelektriske materiale genererer ladning, der bruges til kalibrering af bevægelse.

Et accelerationskompensationselement bruges sammen med en tryk sensor da disse sensorer kan opfange uønskede vibrationer og vise falske aflæsninger.

Piezoelektrisk sensorkredsløb

Et piezoelektrisk sensor internt kredsløb er angivet ovenfor. Modstanden Ri er den interne modstand eller isolatormodstand. Induktansen skyldes inertien af sensoren . Kapacitansen Ce er omvendt proportional med sensormaterialets elasticitet. For at sensoren kan reagere korrekt skal belastningen og lækagemodstanden være stor nok til at lave frekvenser bevares. En sensor kan kaldes et tryk transducer i et elektrisk signal. Sensorer er også kendt som primære transducere.

Piezoelektrisk sensor

Specifikationer for piezoelektrisk sensor

Nogle af de grundlæggende egenskaber ved piezoelektriske sensorer er

• • Måleområdet: Dette interval er underlagt målegrænser.

• • Følsomhed S: Forholdet mellem ændring i udgangssignal ∆y og signalet, der forårsagede ændringen ∆x.
    S = ∆y / ∆x.
  • Pålidelighed: Dette udgør sensorernes evne til at holde karakteristika i visse grænser under indstillede driftsforhold.

Ud over disse er nogle af specifikationerne for piezoelektriske sensorer en tærskel for reaktion, fejl, indikationstid osv ...

• Disse sensorer indeholder som impedansværdi ≤500Ω.
• Disse sensorer fungerer generelt i et temperaturområde på ca. -20 ° C til + 60 ° C.
• Disse sensorer skal holdes ved en temperatur mellem -30 ° C og + 70 ° C for at forhindre dem i nedbrydning.
• Disse sensorer har meget lave Lodning temperatur.
• Spændingsfølsomhed for en piezoelektrisk sensor er 5V / µƐ.
• På grund af sin høje fleksibilitet er kvarts det mest foretrukne materiale som en piezoelektrisk sensor.

Piezoelektrisk sensor ved hjælp af Arduino

Da vi er nødt til at vide, hvad en piezoelektrisk sensor er, skal vi se på en enkel anvendelse af denne sensor ved hjælp af Arduino. Her forsøger vi at skifte en LED, når trykføleren registrerer nok kraft.

Hardware krævet

• Arduino bord .
• Piezoelektrisk trykføler.
• LED
• 1 MΩ modstand.

Kredsløbsdiagram:

• Her er den positive ledning af sensoren angivet med rød ledning tilsluttet A0-analoge stiften på Arduino-kortet, mens den negative ledning angivet med sort ledning er forbundet til jorden.
• En 1 MΩ modstand er forbundet parallelt med piezo-elementet for at begrænse spændingen og strømmen produceret af det piezoelektriske element og for at beskytte den analoge indgang mod uønskede vibrationer.
• LED-anoden er forbundet til den digitale pin D13 i Arduino, og katoden er forbundet til jorden.

Skematisk kredsløb

Arbejder

En tærskelværdi på 100 indstilles til kredsløbet, så sensoren ikke aktiveres for vibrationer, der er mindre end tærsklen. Ved dette kan vi fjerne uønskede små vibrationer. Når udgangsspændingen, der genereres af sensorelementet, er større end tærskelværdien, ændrer LED'en sin tilstand, dvs. hvis den er i HIGH-tilstand, går den til LAV. Hvis værdien er lavere end tærskel-LED'en, ændrer den ikke sin tilstand og forbliver i sin tidligere tilstand.

Kode

konst int ledPin = 13 // LED tilsluttet digital pin 13
konst int Sensor = A0 // Sensor tilsluttet til analog pin A0
konst int tærskel = 100 // Tærskel er sat til 100
int sensorReading = 0 // variabel til at gemme den aflæsede værdi fra sensorstiftet
int ledState = LAV // variabel, der bruges til at gemme den sidste LED-status, til at skifte lys

ugyldig opsætning ()
{
pinMode (ledPin, OUTPUT) // erklær ledPin som OUTPUT
}

ugyldig sløjfe ()
{
// læs sensoren og gem den i den variable sensorLæsning:
sensorReading = analogRead (sensor)

// hvis sensoraflæsningen er større end tærsklen:
hvis (sensorReading> = tærskel)
{
// skift status for ledPin:
ledState =! ledState
// opdater LED-stiften:
digitalWrite (ledPin, ledState)
forsinkelse (10000) // forsinkelse
}
andet
{
digitalWrite (ledPin, ledState) // den oprindelige tilstand for LED, dvs. LAV.
}
}

Piezoelektriske sensorapplikationer

• • Piezoelektriske sensorer bruges til støddetektion .

• • Aktive piezoelektriske sensorer bruges til tykkelsesmåler, strømningssensor.

• • Passive piezoelektriske sensorer bruges til mikrofoner, accelerometer, musikalsk pickups osv ...

• • Piezoelektriske sensorer bruges også til ultralydsbilleddannelse.
  • Disse sensorer bruges til optiske målinger, mikrobevægelsesmålinger, elektroakustik osv ...

Dette handler altså om, hvad der er en piezoelektrisk sensor , egenskaber, specifikationer og også enkel grænseflade mellem sensoren og Arduino-kortet. Disse brugervenlige sensorer finder et sted i forskellige applikationer. Hvordan har du brugt disse sensorer i dit projekt? Hvad var den største udfordring, du stod over for, mens du brugte disse sensorer?