Mikä on pietsosähköinen anturi? Piirikaavio, työskentely ja sovellukset

Kokeile Instrumenttia Ongelmien Poistamiseksi





Jokapäiväisessä elämässämme kohtaamme erilaisia ​​tilanteita, joissa meidän on mitattava fysikaalisia määriä, kuten metalliin kohdistuva mekaaninen rasitus, lämpötilat, painetasot jne. ... Kaikkiin näihin sovelluksiin tarvitaan laite, joka voisi mitata nämä tuntemattomat määrät yksikköinä ja meille tutut kalibroinnit. Yksi tällainen meille hyödyllisin laite on ANTURI . Kaikuanturi on sähkölaite, joka voi muuntaa minkä tahansa tyyppisen fyysisen määrän suhteellisen sähköisen määrän muodossa joko jännitteenä tai sähkövirta . Tämän artikkelin tarkoituksena on selittää suurta määrää erityyppisiä antureita pietsosähköiset anturit .

Mikä on pietsosähköinen anturi?

pietsosähköisen anturin määritelmä on sähköinen anturi joka voi muuntaa minkä tahansa muodon fyysinen määrä sähköiseksi signaaliksi , jota voidaan käyttää mittaukseen. Sähkömuunnin, joka käyttää pietsosähköisten materiaalien ominaisuuksia fyysisten määrien muuntamiseksi sähköisiksi signaaleiksi, tunnetaan nimellä pietsosähköinen anturi.




Pietsosähköinen anturi

Pietsosähköinen anturi

Pietsosähköisillä materiaaleilla on ominaisuus pietsosähkö , jonka mukaan minkä tahansa tyyppisen mekaanisen rasituksen tai rasituksen kohdalla sähköinen jännite syntyy suhteessa käytettyyn jännitykseen. Tämä tuotettu sähköjännite voidaan mitata jännitteellä mittalaitteet laskea materiaaliin kohdistetun rasituksen tai rasituksen arvo.



Pietsosähköisten materiaalien tyypit

Joitakin pietsosähköisten materiaalien tyyppejä ovat:

Luonnollisesti saatavissa olevat: Kvartsi, Rochellen suola, Topaasi, Turmaliiniryhmän mineraalit ja jotkut orgaaniset aineet kuten silkki, puu, emali, luu, hiukset, kumi, dentiini. Keinotekoisesti valmistaa pietsosähköiset materiaalit ovat polyvinylideenidifluoridi, PVDF tai PVF2, bariumtitanaatti, lyijytitanaatti, lyijysirkonaattititanaatti (PZT), kaliumnibaatti, litiumniobaatti, litiumtantaatti ja muu lyijytön pietsosähköinen keramiikka.

Kaikkia pietsosähköisiä materiaaleja ei voida käyttää pietsosähköiset anturit . Anturina käytettävien pietsosähköisten materiaalien on täytettävä tietyt vaatimukset. Mittaustarkoituksissa käytettävillä materiaaleilla tulisi olla taajuusstabiilisuus, korkeat lähtöarvot, herkät äärimmäisille lämpötila- ja kosteusolosuhteille ja ne voivat olla saatavana eri muodoissa tai niiden tulisi olla joustavia valmistettaviksi eri muotoisiksi häiritsemättä niiden ominaisuuksia.


Valitettavasti ei ole pietsosähköistä materiaalia, jolla olisi kaikki nämä ominaisuudet. Kvartsi on erittäin vakaa kide, jota on luonnollisesti saatavana, mutta sen lähtöteho on pieni. Hitaasti vaihtelevat parametrit voidaan mitata kvartsilla. Rochelle-suola antaa korkeimmat lähtöarvot, mutta se on herkkä ympäristöolosuhteille eikä sitä voida käyttää yli 1150 F: n.

Pietsosähköinen anturi toimii

Pietsosähköinen anturi toimii pietsosähköisen periaatteen kanssa. Pietsosähköisen materiaalin, tavallisen kvartsin, pinnat on päällystetty ohuella kerroksella johtavaa materiaalia, kuten hopeaa. Kun jännitys on kohdistunut, materiaalin ionit siirtyvät kohti yhtä johtavaa pintaa samalla kun ne siirtyvät pois toisesta. Tämä johtaa latauksen syntymiseen. Tätä varausta käytetään stressin kalibrointiin. Tuotetun varauksen napaisuus riippuu käytetyn jännityksen suunnasta. Stressiä voidaan soveltaa kahdessa muodossa kuin C masentava stressi ja Vetojännitys kuten alla.

Pietsosähköisen anturin toiminta

Pietsosähköisen anturin toiminta

Pietsosähköisen anturin kaava

Kiteen suunta vaikuttaa myös syntyvän jännitteen määrään. Anturin kide voidaan järjestää sisään pituussuuntainen asento tai poikittainen asento .

Pietsosähköisen anturin kaava

Pietsosähköisen anturin kaava

Pituus- ja poikittainen vaikutus

Pitkittäisvaikutuksessa syntyvä varaus saadaan

Q = F * d

Missä F on käytetty voima, d on kiteen pietsosähköinen kerroin.

Kvartsikiteen pietsosähköinen kerroin d on noin 2,3 * 10-12C / N.

Poikittaisessa vaikutuksessa syntyvä varaus saadaan

Q = F * d * (b / a)

Kun suhde b / a on suurempi kuin 1, poikittaisjärjestelyn tuottama varaus on suurempi kuin pitkittäisjärjestelyn tuottama määrä.

Pietsosähköinen anturipiiri

Pietsosähköisen perusmuuntimen toiminta voidaan selittää alla olevalla kuvalla.

Pietsosähköinen anturipiiri

Pietsosähköinen anturipiiri

Tässä hopealla päällystettyä kvartsikidettä käytetään anturina jännitteen muodostamiseksi, kun siihen kohdistuu stressiä. Latausvahvistinta käytetään tuotetun varauksen mittaamiseen ilman hajaantumista. Hyvin matalan virran vetämiseksi vastus R1 on erittäin korkea. Anturin ja johtimen yhdistävän johtimen kapasitanssi pietsosähköinen anturi vaikuttaa myös kalibrointiin. Joten latausvahvistin sijoitetaan yleensä hyvin lähelle anturia.

Joten pietsosähköisessä muuntimessa mekaanista rasitusta käytettäessä syntyy suhteellinen sähköjännite, joka vahvistetaan latausvahvistimella ja jota käytetään kohdistetun stressin kalibrointiin.

Pietsosähköinen ultraäänianturi

Ultraääninen pietsosähköinen anturi toimii päinvastoin pietsosähköinen vaikutus . Tässä vaikutuksessa, kun sähköä johdetaan pietsosähköiseen materiaaliin, se käy läpi fyysisiä muodonmuutoksia suhteessa käytettyyn varaukseen. Piiri ultraäänianturi on annettu alla.

Ultraääni pietsosähköinen anturi

Ultraääni pietsosähköinen anturi

Tässä kvartsikide on sijoitettu kahden metallilevyn A ja B väliin, jotka on kytketty muuntajan ensiöosaan L3. Muuntajan ensiö on induktiivisesti kytketty elektroninen oskillaattori . Kelat L1 ja L2, jotka muodostavat muuntajan toissijaisen, on kytketty elektroniseen oskillaattoriin.

Kun paristo kytketään PÄÄLLE, oskillaattori tuottaa suurtaajuisia vaihtojännitepulsseja taajuudella f = 1 ÷ (2π√L1C1). Tämän vuoksi L3: ssa indusoituu e.m.f, joka siirtyy kvartsikiteelle levyjen A ja B kautta. Käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen vuoksi kide alkaa supistua ja laajentua vaihtoehtoisesti, mikä luo mekaanista tärinää.

Resonanssi tapahtuu, kun taajuus elektroninen oskillaattori on yhtä suuri kuin kvartsin luonnollinen taajuus. Tässä vaiheessa kvartsi tuottaa pitkittäiset ultraääniaallot suuren amplitudin.

Pietsosähköiset anturisovellukset

  • Koska pietsosähköiset materiaalit eivät pysty mittaamaan staattisia arvoja, niitä käytetään ensisijaisesti pinnan karheuden mittaamiseen, kiihtyvyysmittareissa ja tärinänottimena.
  • Niitä käytetään seismografit mitata tärinää raketeissa.
  • Vääntömittareissa voiman, stressin, tärinän jne. Mittaamiseksi
  • Autoteollisuus käyttää räjähteiden mittaamiseen moottoreissa.
  • Näitä käytetään ultraäänikuvaus lääketieteellisissä sovelluksissa.

Pietsosähköisten antureiden edut ja rajoitukset

Pietsosähköisten antureiden etuja ja rajoituksia ovat seuraavat.

Edut

  • Nämä ovat aktiivisia antureita, toisin sanoen ne eivät vaadi ulkoista virtaa toimimiseen ja ovat siksi itse tuottavia.
  • Näiden antureiden korkeataajuinen vaste tekee hyvän valinnan erilaisiin sovelluksiin.

Rajoitukset

  • Lämpötila ja ympäristöolosuhteet voivat vaikuttaa anturin käyttäytymiseen.
  • Ne voivat mitata vain muuttuvaa painetta, joten ne ovat hyödyttömiä staattisia parametreja mitattaessa.

Näin ollen kyse on kaikesta Pietsosähköinen anturi , Toimintaperiaate, kaava, toimintapiiri, edut, rajoitukset ja myös sovellukset. Yllä olevista tiedoista on useita pietsosähköisen anturin sovelluksia, kuten olemme keskustelleet. Missä sovelluksessa olet käyttänyt pietsosähköistä anturia? Millainen kokemuksesi oli?