In ons dagelijks leven komen we verschillende situaties tegen waarin we fysieke grootheden moeten meten, zoals mechanische belasting op metaal, temperatuurniveaus, drukniveaus enz ... Voor al deze toepassingen hebben we een apparaat nodig dat deze onbekende hoeveelheden kan meten in eenheden en kalibraties die ons bekend zijn. Een van deze apparaten die voor ons het nuttigst is, is de TRANSDUCER De transducer is een elektrisch apparaat dat elk type fysieke grootheid kan omzetten in de vorm van een proportionele elektrische grootheid, hetzij als spanning of elektrische stroom Uit de grote pool van verschillende soorten transducers, wil dit artikel uitleggen over piëzo-elektrische transducers
Wat is piëzo-elektrische transducer?
De definitie van een piëzo-elektrische transducer is een elektrische transducer die elke vorm van fysieke grootheid in een elektrisch signaal , die kan worden gebruikt voor metingen. Een elektrische transducer die eigenschappen van piëzo-elektrische materialen gebruikt voor het omzetten van fysieke grootheden in elektrische signalen, staat bekend als een piëzo-elektrische transducer.
Piëzo-elektrische transducer
Piëzo-elektrische materialen hebben de eigenschap van piëzo-elektriciteit , volgens welke bij het uitoefenen van elk type mechanische spanning of spanning leidt tot het genereren van een elektrische spanning evenredig met de toegepaste spanning. Deze geproduceerde elektrische spanning kan worden gemeten met behulp van spanning meetinstrumenten om de waarde van spanning of rek op het materiaal te berekenen.
Soorten piëzo-elektrische materialen
Enkele soorten piëzo-elektrische materialen zijn:
Natuurlijk beschikbare exemplaren: Kwarts, Rochelle-zout, Topaas, Mineralen uit de toermalijngroep en sommige organische stoffen zoals zijde, hout, glazuur, botten, haar, rubber, dentine. Kunstmatig vervaardigt piëzo-elektrische materialen zijn polyvinylideendifluoride, PVDF of PVF2, bariumtitanaat, loodtitanaat, loodzirconaattitanaat (PZT), kaliumniobaat, lithiumniobaat, lithiumtantalaat en ander loodvrij piëzo-elektrisch keramiek.
Niet alle piëzo-elektrische materialen kunnen in piëzo-elektrische transducers Er zijn bepaalde vereisten waaraan de piëzo-elektrische materialen moeten voldoen om als transducers te worden gebruikt. De materialen die voor meetdoeleinden worden gebruikt, moeten frequentiestabiliteit hebben, hoge outputwaarden hebben, ongevoelig zijn voor de extreme temperatuur- en vochtigheidsomstandigheden en die in verschillende vormen beschikbaar kunnen zijn of moeten flexibel zijn om in verschillende vormen te worden vervaardigd zonder hun eigenschappen te verstoren.
Helaas is er geen piëzo-elektrisch materiaal dat al deze eigenschappen heeft. Kwarts is een zeer stabiel kristal dat van nature beschikbaar is, maar het heeft een klein outputniveau. Met kwarts kunnen langzaam variërende parameters worden gemeten. Rochelle-zout geeft de hoogste outputwaarden, maar het is gevoelig voor omgevingsomstandigheden en kan niet worden gebruikt boven 1150F.
Piëzo-elektrische transducer werkt
Piëzo-elektrische transducer werkt met het principe van piëzo-elektriciteit. De vlakken van piëzo-elektrisch materiaal, gebruikelijk kwarts, zijn bedekt met een dunne laag geleidend materiaal zoals zilver. Wanneer er spanning is uitgeoefend, bewegen de ionen in het materiaal naar een van de geleidende oppervlakken terwijl ze van de andere af bewegen. Dit resulteert in het genereren van lading. Deze lading wordt gebruikt voor het kalibreren van stress. De polariteit van de geproduceerde lading hangt af van de richting van de toegepaste spanning. Stress kan in twee vormen worden toegepast als C beklemmende stress en Trekspanning zoals hieronder weergegeven.
Werking van een piëzo-elektrische transducer
Piëzo-elektrische transducerformule
De oriëntatie van het kristal heeft ook invloed op de hoeveelheid opgewekte spanning. Kristal in een transducer kan worden aangebracht longitudinale positie of dwarse positie
Piëzo-elektrische transducerformule
Longitudinaal en transversaal effect
In het longitudinale effect wordt de gegenereerde lading gegeven door
Q = F * d
Waar F de toegepaste kracht is, is d de piëzo-elektrische coëfficiënt van het kristal.
Piëzo-elektrische coëfficiënt d van kwartskristal is ongeveer 2,3 * 10-12C / N.
In het transversale effect wordt de gegenereerde lading gegeven door
Q = F * d * (b / a)
Wanneer de verhouding b / a groter is dan 1, zal de lading geproduceerd door transversale opstelling groter zijn dan de hoeveelheid gegenereerd door longitudinale opstelling.
Piëzo-elektrische transducercircuit
De werking van een eenvoudige piëzo-elektrische transducer kan worden verklaard door de onderstaande afbeelding.
Piëzo-elektrische transducercircuit
Hier wordt kwartskristal bedekt met zilver gebruikt als een sensor om een spanning op te wekken wanneer er spanning op wordt uitgeoefend. Een ladingsversterker wordt gebruikt om de geproduceerde lading te meten zonder dissipatie. Om een zeer lage stroom te trekken, is de weerstand R1 erg hoog. De capaciteit van de geleidingsdraad die de transducer en piëzo-elektrische sensor heeft ook invloed op de kalibratie. De ladingsversterker wordt dus meestal heel dicht bij de sensor geplaatst.
Dus in een piëzo-elektrische transducer wanneer mechanische spanning wordt toegepast, wordt een proportionele elektrische spanning gegenereerd die wordt versterkt met behulp van een ladingsversterker en wordt gebruikt voor het kalibreren van aangelegde spanning.
Piëzo-elektrische ultrasone transducer
De ultrasone piëzo-elektrische transducer werkt volgens het principe van het omgekeerde piëzo-elektrisch effect In dit effect, wanneer elektriciteit wordt toegepast op een piëzo-elektrisch materiaal, ondergaat het fysieke vervormingen evenredig met de toegepaste lading. Het circuit van de ultrasone transducer wordt hieronder gegeven.
Ultrasone piëzo-elektrische transducer
Hier de kwarts kristal wordt geplaatst tussen twee metalen platen A en B die zijn verbonden met de primaire L3 van de transformator. De primaire van de transformator is inductief gekoppeld aan de elektronische oscillator De spoelen L1 en L2, die secundair van de transformator vormen, zijn verbonden met de elektronische oscillator.
Als de batterij is ingeschakeld, produceert de oscillator hoogfrequente wisselspanningspulsen met een frequentie f = 1 ÷ (2π√L1C1). Hierdoor wordt een e.m.f geïnduceerd in L3 die via platen A en B naar het kwartskristal wordt overgebracht. Door het omgekeerde piëzo-elektrische effect begint het kristal afwisselend samen te trekken en uit te zetten, waardoor mechanische trillingen ontstaan.
Resonantie vindt plaats wanneer de frequentie van de elektronische oscillator is gelijk aan de natuurlijke frequentie van het kwarts. Op dit punt produceert kwarts longitudinale ultrasone golven van grote omvang.
Piëzo-elektrische transducertoepassingen
- Omdat piëzo-elektrische materialen geen statische waarden kunnen meten, worden deze voornamelijk gebruikt voor het meten van oppervlakteruwheid, in versnellingsmeters en als trillingsopnemer.
- Ze worden gebruikt in seismografen om trillingen in raketten te meten.
- In rekstrookjes om kracht, spanning, trillingen enz. Te meten
- Gebruikt door auto-industrie om detonaties in motoren te meten.
- Deze worden gebruikt in ultrasone beeldvorming in medische toepassingen.
Voordelen en beperkingen van piëzo-elektrische transducers
De voordelen en beperkingen van piëzo-elektrische transducers omvatten de volgende.
Voordelen
- Dit zijn actieve transducers, d.w.z. ze hebben geen externe voeding nodig om te werken en zijn daarom zelfgenererend.
- De hoogfrequente respons van deze transducers is een goede keuze voor diverse toepassingen.
Beperkingen
- Temperatuur- en omgevingscondities kunnen het gedrag van de transducer beïnvloeden.
- Ze kunnen alleen veranderende druk meten, daarom zijn ze nutteloos bij het meten van statische parameters.
Dit gaat dus allemaal over Piëzo-elektrische transducer , Werkingsprincipe, formule, schakeling met werking, voordelen, beperkingen en ook toepassingen. Uit de bovenstaande informatie zijn er verschillende toepassingen van piëzo-elektrische transducer, zoals we hebben besproken. Voor welke toepassing heeft u de piëzo-elektrische transducer gebruikt? Hoe was je ervaring?
