I vores daglige liv støder vi på forskellige situationer, hvor vi skal måle fysiske størrelser som mekanisk belastning på metal, temperaturniveauer, trykniveauer osv ... Til alle disse applikationer har vi brug for en enhed, der kan måle disse ukendte mængder i enheder og kalibreringer, vi kender. En sådan enhed, som er mest nyttig for os, er TRANSDUCER . Transduceren er en elektrisk enhed, der kan konvertere enhver form for fysisk størrelse i form af proportional elektrisk størrelse enten som spænding eller elektrisk strøm . Fra den store pool af forskellige transducertyper har denne artikel til formål at forklare piezoelektriske transducere .

Hvad er piezoelektrisk transducer?

Det definition af en piezoelektrisk transducer er en elektrisk transducer som kan konvertere enhver form for fysisk mængde i et elektrisk signal , som kan bruges til måling. En elektrisk transducer, der bruger egenskaber ved piezoelektriske materialer til konvertering af fysiske størrelser til elektriske signaler kaldes en piezoelektrisk transducer.

Piezoelektrisk transducer

Piezoelektriske materialer udviser ejendommen til piezoelektricitet , ifølge hvilken ved påføring af enhver form for mekanisk spænding eller belastning fører til dannelsen af en elektrisk spænding, der er proportional med den påførte spænding. Denne producerede elektriske spænding kan måles ved hjælp af spænding måleinstrumenter at beregne værdien af stress eller belastning, der påføres materialet.

Typer af piezoelektriske materialer

Nogle af de typer piezoelektriske materialer er:

Naturligt tilgængelige: Kvarts, Rochelle salt, Topaz, mineraler i turmalin-gruppen og nogle organiske stoffer som silke, træ, emalje, knogle, hår, gummi, dentin. Producerer kunstigt piezoelektriske materialer er polyvinyliden-difluorid, PVDF eller PVF2, Barium-titanat, Bly-titanat, Bly-zirconat-titanat (PZT), Kaliumniobat, Lithium-niobat, Lithium-tantalat og anden blyfri piezoelektrisk keramik.

Ikke alle piezoelektriske materialer kan bruges i piezoelektriske transducere . Der er visse krav, der skal opfyldes af de piezoelektriske materialer, der skal bruges som transducere. Materialerne, der anvendes til måleformål, skal have frekvensstabilitet, høje outputværdier, ufølsomme over for ekstreme temperatur- og fugtighedsforhold, og som kan være tilgængelige i forskellige former eller bør være fleksible til at blive fremstillet i forskellige former uden at forstyrre deres egenskaber.

Desværre er der intet piezoelektrisk materiale, der har alle disse egenskaber. Kvarts er en meget stabil krystal, der er naturligt tilgængelig, men den har små outputniveauer. Langsomt forskellige parametre kan måles med kvarts. Rochelle salt giver de højeste outputværdier, men det er følsomt over for miljøforhold og kan ikke bruges over 1150F.

Piezoelektrisk transducer arbejder

Piezoelektrisk transducer arbejder med princippet om piezoelektricitet. Ansigterne af piezoelektrisk materiale, sædvanlig kvarts, er belagt med et tyndt lag af ledende materiale såsom sølv. Når der er påført stress, bevæger ionerne sig i materialet mod en af den ledende overflade, mens de bevæger sig væk fra den anden. Dette resulterer i generering af afgift. Denne opladning bruges til kalibrering af stress. Polariteten af den producerede ladning afhænger af retningen af den påførte spænding. Stress kan anvendes i to former som C ompressiv stress og Trækstress som vist nedenfor.

Arbejde med en piezoelektrisk transducer

Piezoelektrisk transducerformel

Orienteringen af krystallen påvirker også mængden af genereret spænding. Krystal i en transducer kan arrangeres i længdeposition eller tværgående position .

Piezoelektrisk transducerformel

“glimmer kondensator farvekode lommeregner ”

Langsgående og tværgående effekt

I den langsgående effekt gives den genererede ladning af

Q = F * d

Hvor F er den påførte kraft, er d den piezoelektriske koefficient for krystallen.

Piezoelektrisk koefficient d for kvartskrystal er omkring 2,3 * 10^-12C / N.

I den tværgående effekt gives den genererede ladning af

Q = F * d * (b / a)

Når forholdet b / a er større end 1, vil ladningen, der frembringes ved et tværgående arrangement, være større end den mængde, der genereres af det langsgående arrangement.

Piezoelektrisk transducerkreds

Funktionen af en grundlæggende piezoelektrisk transducer kan forklares ved nedenstående figur.

Piezoelektrisk transducerkreds

Her bruges kvartskrystal belagt med sølv som en sensor til at generere en spænding, når der påføres stress på den. En ladningsforstærker bruges til at måle den producerede ladning uden spredning. For at trække meget lav strøm er modstanden R1 meget høj. Kapacitansen på den ledning, der forbinder transduceren og piezoelektrisk sensor påvirker også kalibreringen. Så ladeforstærkeren er normalt placeret meget tæt på sensoren.

Så i en piezoelektrisk transducer, når der påføres mekanisk spænding, genereres der en proportional elektrisk spænding, som forstærkes ved hjælp af opladningsforstærker og bruges til kalibrering af påført spænding.

Piezoelektrisk ultralydstransducer

Den ultrasoniske piezoelektriske transducer fungerer på princippet om det omvendte piezoelektrisk effekt . I denne effekt, når elektricitet påføres et piezoelektrisk materiale, gennemgår den fysiske deformationer, der er proportional med anvendt ladning. Kredsløbet til ultralydstransducer er angivet nedenfor.

Ultralydspiezoelektrisk transducer

Her, den kvarts krystal er placeret mellem to metalplader A og B, som er forbundet til transformatorens primære L3. Transformatorens primære er induktivt koblet til elektronisk oscillator . Spolerne L1 og L2, som udgør sekundær for transformeren, er forbundet til den elektroniske oscillator.

Når batteriet tændes, frembringer oscillatoren højfrekvente alternerende spændingsimpulser med frekvensen f = 1 ÷ (2π√L1C1). På grund af dette induceres en emf i L3, der overføres til kvartskrystallen gennem pladerne A og B. På grund af den omvendte piezoelektriske effekt begynder krystallen at trække sig sammen og udvide sig alternativt og derved skabe mekaniske vibrationer.

Resonans finder sted, når frekvensen af elektronisk oscillator er lig med kvartsens naturlige frekvens. På dette tidspunkt producerer kvarts langsgående ultralydsbølger med stor amplitude.

Piezoelektriske transducerapplikationer

Da piezoelektriske materialer ikke kan måle statiske værdier, bruges disse primært til måling af overfladeruhed, i accelerometre og som en vibrationsoptagelse.
De bruges i seismografer at måle vibrationer i raketter.
I trækmålere til måling af kraft, stress, vibrationer osv ...
Brugt af bilindustrien til at måle detonationer i motorer.
Disse bruges i ultralydsbilleddannelse i medicinske applikationer.

Fordele og begrænsninger ved piezoelektriske transducere

Fordelene og begrænsningerne ved piezoelektriske transducere inkluderer følgende.

Fordele

Disse er aktive transducere, dvs. de behøver ikke ekstern strøm for at arbejde og er derfor selvgenererende.
Højfrekvensresponset fra disse transducere er et godt valg til forskellige applikationer.

Begrænsninger

Temperatur- og miljøforhold kan påvirke transducerens opførsel.
De kan kun måle skiftende tryk, derfor er de ubrugelige, mens de måler statiske parametre.

Således handler det hele om Piezoelektrisk transducer , Arbejdsprincip, formel, kredsløb med arbejde, fordele, begrænsninger og også applikationer. Fra ovenstående oplysninger er der forskellige anvendelser af piezoelektrisk transducer, som vi har diskuteret. Til hvilken applikation har du brugt den piezoelektriske transducer? Hvordan var din oplevelse?