Przetwornice te należą do podgrupy generatorów, są oparte na mechanicznie nagromadzonych ładunkach elektrycznych. W rezultacie rozróżnia się następującą zależność: Q=d P. W tym przypadku d jest modułem piezoelektrycznym, a P jest siłą. Z reguły materiałem jest kwarc, turmalin, mieszanki do wyżarzania, bar, ołów. Do zaprojektowania przetwornika piezoelektrycznego niezbędne jest wykorzystanie schematów obciążeń: ściskanie, zginanie, ścinanie, rozciąganie.
Bezpośredni i odwrócony efekt piezoelektryczny
Bezpośredni efekt charakteryzuje się następującymi cechami: użyty materiał krystaliczny tworzy sieć dzięki naładowanym jonom ułożonym w określonej kolejności. W trakcie tego procesu różne cząstki zmieniają się i wzajemnie kompensują, co skutkuje neutralnością elektryczną. Kryształy mają cechy, które są wskazane w następujący sposób:
- symetria względem osi;
- biorąc pod uwagę poprzedni widok, pojawia się siatka z jonami, które zmieniają się i kompensują.
Jeżeli materiał użyty w procesie jest kierowany na siłę Fx, toulega deformacji, zmienia się odległość między ładunkami dodatnimi i ujemnymi, a kierunek w danej osi jest naelektryzowany. Wszystko to wyraża się wzorem q=d11Fx i jest proporcjonalne do siły. Współczynnik jest związany z substancją i jej stanem, ma nazwę - moduł piezoelektryczny. Indeksy są określane przez siłę i krawędź, ale jeśli zmienisz kierunek, efekt będzie inny.
Przetwornik piezoelektryczny w procesie bezpośrednim elektryzuje kryształy pod wpływem sił zewnętrznych. Efekt ten występuje pod wpływem substancji będących elektrykami. Do wykonania przyrządów pomiarowych potrzebne będą kryształy kwarcu. Oznacza to, że zasada działania przetwornika piezoelektrycznego jest następująca: ze skutkiem bezpośrednim działanie odbywa się za pomocą mechaniki, a przy odwrocie kryształy ulegają deformacji.
Dodatkowe efekty piezo
Kryształ może ulec polaryzacji, gdy na płytkę działają siły na osiach X, Y. Fy – poprzecznie, z Fz nie powstają żadne opłaty. Kryształ kwarcu znajduje się na trzech osiach współrzędnych. W celu zastosowania przetworników piezoelektrycznych konieczne jest wycięcie płytki, która wskazuje efekt. Ma następujący opis:
- wysoka wytrzymałość;
- napięcie dozwolone do 108 N/m2, dzięki czemu możliwe są duże mierzalne siły;
- sztywność i elastyczność;
- minimalne tarcie wewnątrz;
- stabilność,co się nie zmienia;
- Maksymalny współczynnik jakości wytworzonego materiału.
Płytki kwarcowe są używane tylko w przetwornikach mierzących ciśnienie i siłę. Ze względu na twardość materiału jest on trudny w obróbce, dlatego powstaje z niego prosty kształt. Moduł jest stały w stałej temperaturze. Jeśli wzrośnie, to w tym przypadku następuje spadek modułu. Właściwości piezoelektryczne zanikają przy 573 stopniach Celsjusza.
Opis urządzenia i obwodów pomiarowych
Piezoelektryczny przetwornik ciśnienia ma następującą strukturę:
- membrana, która jest dnem obudowy;
- podszewka zewnętrzna jest uziemiona, a środkowa izolowana kwarcem;
- płytki mają wysoką rezystancję, połączone równolegle;
- folia i wewnętrzny rdzeń kabla są mocowane w otworze zamykanym pokrywką.
Moc wyjściowa jest minimalna, pod tym względem zapewniony jest wzmacniacz o dużej rezystancji. Zasadniczo napięcie zależy od pojemności obwodu wejściowego. Charakterystyka przetwornika wskazuje na czułość i pojemność. Zasadniczo jest to ładunek i własne wskaźniki urządzenia. W przypadku obliczenia sumarycznego uzyskana zostanie następująca moc wyjściowa: Sq =q/F lub Uxx=d11 F/Co.
Aby rozszerzyć zakres częstotliwości, konieczne jest zwiększenie mierzonych niskich zmiennych w kierunku obwodu o stałym czasie. Łatwo to zrobić, włączająckondensatory znajdujące się równolegle do urządzenia. W takim przypadku jednak napięcie wyjściowe zmniejszy się. Zwiększona rezystancja rozszerzy zakres bez utraty czułości. Ale aby go zwiększyć, potrzebne są lepsze właściwości izolacyjne i wzmacniacze z wejściem o wysokiej rezystancji.
Opis obwodów pomiarowych
Rezystancja właściwa i powierzchniowa określają własne, a główny składnik kwarcu jest wyższy, dlatego przetwornik piezoelektryczny musi być uszczelniony. Dzięki temu poprawia się jakość, a powierzchnia jest chroniona przed wilgocią i brudem. Obwody pomiarowe czujników powstały jako wzmacniacze wysokooporowe, które oparto o stopień wyjściowy tranzystora polowego oraz wzmacniacz nieodwracający z urządzeniem operacyjnym. Napięcie jest podawane na wejście i wyjście.
Jednak ten przestarzały przetwornik piezoelektryczny miał wady:
- zależność napięcia wyjściowego i czułości od objętości czujnika;
- niestabilna pojemność, która zmienia się pod wpływem warunków temperaturowych.
Napięcie wzmacniacza i czułość są określone przez dopuszczalny błąd, jeśli dołączona stabilna głośność jest uzupełniona C1. Wzór: ys=(ΔCo + ΔCk)/(Co+Ck +C1). Po przekształceniu otrzymujemy: S=Ubx/F. Jeśli współczynnik odpowiednio wzrasta, a te zmienne rosną. Obwód pomiarowy charakteryzuje:
- stała oś czasu;
- rezystancja R jest określona przez wzmocnienie wejściowe, izolację czujników, kabli i R3;
- Tranzystory MOS są silniejsze niż urządzenia polowe, ale mają wysoki poziom szumów;
- R3 stabilizuje napięcie, jego wartość jest obliczana jako ~ 1011 Ohm.
Analizując ostatnią zmienną możemy założyć, że stała linia czasu wygląda następująco: t ≦ 1c. Dzisiejsze urządzenia mogą używać do ładowania czujników piezoelektrycznych ze wzmacniaczami napięcia.
Zalety urządzenia
Przetwornik piezoelektryczny ma następujące zalety:
- łatwy montaż konstrukcyjny;
- wymiary;
- niezawodność;
- konwersja napięcia mechanicznego na ładunek elektryczny;
- zmienne, które można szybko zmierzyć.
W przypadku materiału takiego jak kwarc, który jest bliski idealnemu stanowi ciała, przekształcenie mechaniki w ładunek elektryczny jest możliwe z minimalnym błędem od -4 do -6. Jednak rozwój technologii o wysokiej precyzji poprawił możliwość osiągnięcia bezstratnej dokładności. W rezultacie możemy stwierdzić, że te przetworniki piezoelektryczne są najbardziej odpowiednie do pomiaru sił, ciśnienia i innych elementów.
Przyspieszenie PET ma następującą strukturę:
- wszystkie materiały są przymocowane do podstawy tytanowej;
- dwa jednocześnie włączone elementy piezoelektrycznez kwarcu;
- masa bezwładnościowa o dużej gęstości zaprojektowana dla minimalnych wymiarów;
- usuwanie sygnału za pomocą folii mosiężnej;
- ona z kolei jest podłączona do kabla, który jest lutowany;
- czujnik osłonięty nasadką wkręcaną w podstawę;
- aby zamocować miernik na obiekcie, przetnij nić.
Pomimo masy czujnik jest dość stabilny i gęsty. Działa z prędkością 150 m/s2.
Cechy konstrukcyjne konwerterów
Jeśli konieczne jest wyprodukowanie czujnika przyspieszenia, ważne jest, aby prawidłowo zamocować płytki z czujnikami piezoelektrycznymi do podstawy. Ta czynność jest wykonywana przez lutowanie. Kabel musi spełniać następujące wymagania:
- rezystancja izolacji powinna być wysoka;
- ekran jest umieszczony obok salonu;
- antywibracja;
- elastyczność.
Oznacza to, że kabel nie powinien być potrząsany na wejściu wzmacniacza. Obwód pomiarowy jest tworzony symetrycznie, dzięki czemu nie występują zakłócenia. W czujniku połączenie jest asymetryczne, rezystancja wyprowadzeń i obudowy jest połączona w taki sposób, aby uzyskać izolację płytek zewnętrznych. Aby osiągnąć pożądany wynik, miernik musi być wykonany z nieparzystej liczby materiałów, które są używane w procesie. Elementy dociskane są do wzmacniacza przez otwory w części środkowej oraz przez izolatory przykręcane do obudowy.
Cechy urządzeń do pomiaru drgań
W celu zwiększenia czułości urządzenia pomiarowego konieczne jest zastosowanie wysokomodułowych elementów piezoelektrycznych. Tenmateriał układa się równolegle w rzędzie i łączy metalowymi uszczelkami i płytami. Aby uzyskać podobny efekt, nadal można stosować substancje działające na zginanie. Jednak mają niską częstotliwość i są gorsze od mechaniki kompresji.
Materiał może być bimorficzny, zwykle jest zbierany szeregowo lub równolegle, wszystko zależy od dodatnio położonych osi. Z reguły są to dwa talerze. Biorąc pod uwagę warstwę neutralną, zamiast elementu piezoelektrycznego można zastosować nakładkę wykonaną z metalu o średniej grubości.
Aby zmierzyć sygnały, które poruszają się wystarczająco wolno, wykonaj następujące czynności:
- przetwornik piezoelektryczny zawarty w oscylatorze;
- kryształ ma częstotliwość rezonansową;
- jak tylko nastąpi obciążenie, wskaźniki zmienią się.
Dziś akcelerometry piezoelektryczne są zaawansowanymi urządzeniami, które mogą pracować z wysoką częstotliwością i dużą czułością.
Alternatywne źródło energii poprzez konwertery
Jednym ze znanych i niewyczerpanych sposobów wytwarzania elektryczności jest energia fal. Takie stacje montowane są bezpośrednio w środowisku wodnym. Zjawisko to związane jest z promieniami słonecznymi, które podgrzewają masę powietrza, dzięki czemu powstają fale. Wałek tego zjawiska ma intensywność energetyczną, którą określa siła wiatru, szerokość frontów powietrza, czas trwania podmuchów.
Wartość może wahać się w płytkiej wodzie lub osiągnąć 100 kW na metr. Piezoelektryczny przetwornik energii fal działa na pewnej zasadzie. Poziom wody podnosi się za pomocą fali, przy czym z naczynia zostaje wyciśnięte powietrze. Przepływy są następnie przepuszczane przez turbinę nawrotną. Urządzenie obraca się w określonym kierunku, niezależnie od ruchu fal.
To urządzenie ma pozytywne cechy. Do dziś nie przewiduje się poprawy konstrukcji, ponieważ skuteczność i zasada działania zostały sprawdzone na wszystkie istniejące sposoby. W miarę postępu technologicznego mogą powstać stacje pływające.
Ultradźwiękowy przetwornik piezoelektryczny
To urządzenie zostało zaprojektowane w taki sposób, że nie wymaga dodatkowych ustawień. Wyposażony jest w blok pamięci, który daje wynik techniczny. Dotyczy urządzeń kontrolno-pomiarowych. Takie urządzenia różnią się rodzajem, właściwościami technicznymi, które są opracowywane na podstawie danych projektowych i przeznaczenia z minimalnymi błędami. Wszystkie wymagania są brane pod uwagę na podstawie projektu.
Dla wszystkich takich urządzeń zapewniony jest standardowy schemat tworzenia: defektoskop, obudowa, elektrody, główny element mocowany do podstawy, rdzeń, folia i inne materiały. Ultradźwiękowy przetwornik piezoelektryczny jest wzorem użytkowym. Pozwala na odbiór danych bezpośrednio za pomocą dźwięku zainstalowanego na podstawie urządzenia.
Zastosowania przetworników piezoelektrycznych
Urządzenia zefekt bezpośredni stosuje się w przyrządach mierzących siłę, ciśnienie, przyspieszenie. Mają wysoki poziom częstotliwości i ostrości. Aparatura ze sprzężeniem zwrotnym stosowana jest w drganiach ultradźwiękowych, przetwarzaniu naprężeń w odkształcenia, wyważaniu. Jeśli oba efekty są brane pod uwagę w tym samym czasie, ta opcja jest odpowiednia dla piezorezonatorów, które dość szybko przekształcają jeden rodzaj energii w inny.
Urządzenia dodatnie, połączone w przeciwnym kierunku, działają na automatycznych oscylacjach i są stosowane w generatorach. Zakres ich zastosowania jest bardzo szeroki, gdyż odpowiednio stworzone mają dużą stabilność. Często stosuje się kilka rezonatorów piezoelektrycznych, aby osiągnąć pożądany efekt i uzyskać prawidłowe informacje.
Wady konwerterów
Te urządzenia mają wiele pozytywnych aspektów. Mają jednak również negatywne cechy:
- rezystancja wyjściowa - maksymalna;
- obwody pomiarowe i kable muszą być tworzone w oparciu o ścisłe wymagania i wytyczne.
Obliczanie przetwornika piezoelektrycznego początkowo wyprowadza wzór na częstotliwość rezonansową: Fp =0,24 ·c·. Grubość płyty: h=Fp a2 / 0,24 c=35 10325 10 -6/ 0,24 2900=1,257 10-3m. Charakterystyki energetyczne są obliczane w następujący sposób: Wak =Wak.ud S=40 4,53 10-3.
