Questi convertitori appartengono a un sottogruppo di generatori, sono basati su cariche elettriche accumulate meccanicamente. Di conseguenza, si distingue la seguente relazione: Q=d P. In questo caso, d è il modulo piezoelettrico e P è la forza. Di norma, il materiale è quarzo, tormalina, miscele di ricottura, bario, piombo. Per progettare un trasduttore piezoelettrico, è necessario utilizzare schemi di carico: compressione, flessione, taglio, tensione.
Effetto piezoelettrico diretto e inverso
L'effetto diretto è caratterizzato da quanto segue: il materiale cristallino utilizzato forma un reticolo dovuto a ioni carichi disposti in un certo ordine. Nel processo, particelle dissimili si alternano e si compensano a vicenda, determinando la neutralità elettrica. I cristalli hanno caratteristiche che sono indicate come segue:
- simmetria rispetto all'asse;
- considerando la vista precedente, appare un reticolo con ioni che si alternano e si compensano.
Se il materiale utilizzato nel processo è diretto alla forza Fx, alloraè deformato, la distanza tra le cariche positive e negative cambia e la direzione nell'asse dato è elettrizzata. Tutto questo è espresso nella formula q=d11Fx ed è proporzionale alla forza. Il coefficiente è associato alla sostanza e al suo stato, ha un nome: il modulo piezoelettrico. Gli indici sono determinati dalla forza e dal vantaggio, ma se cambi direzione, l'effetto sarà diverso.
Il trasduttore piezoelettrico nel processo diretto elettrizza i cristalli sotto l'influenza di forze esterne. Questo effetto si verifica sotto l'influenza di sostanze che sono elettricisti. Per realizzare strumenti di misura, avrai bisogno di cristalli di quarzo. Cioè, il principio di funzionamento del trasduttore piezoelettrico è il seguente: con un effetto diretto, l'azione viene svolta attraverso la meccanica, e con il contrario, i cristalli si deformano.
Ulteriori effetti piezoelettrici
Il cristallo può essere polarizzato quando la lastra è soggetta a forze sugli assi X, Y. Fy – trasversale, con Fz non vengono addebitati costi. Il cristallo di quarzo si trova su tre assi coordinati. Per utilizzare i trasduttori piezoelettrici è necessario tagliare una lastra che ne indichi l'effetto. Ha la seguente descrizione:
- ad alta resistenza;
- tensione consentita fino a 108 N/m2, quindi sono possibili grandi forze misurabili;
- rigidità ed elasticità;
- attrito minimo all'interno;
- stabilità,che non cambia;
- Massimo fattore di qualità del materiale fabbricato.
Le piastre al quarzo vengono utilizzate solo nei trasduttori che misurano la pressione e la forza. Data la durezza del materiale, è difficile da lavorare, quindi da esso viene creata una forma semplice. Il modulo è costante a temperatura costante. Se aumenta, in questo caso si verifica una diminuzione del modulo. Le proprietà piezoelettriche scompaiono a 573 gradi Celsius.
Descrizione del dispositivo e dei circuiti di misura
Il trasduttore piezoelettrico di pressione ha la seguente struttura:
- membrana, che è la parte inferiore del case;
- il rivestimento esterno è collegato a terra e quello centrale è isolato con quarzo;
- piastre ad alta resistenza, collegate in parallelo;
- la lamina e l'anima interna del cavo sono fissate in un foro chiuso da un coperchio.
La potenza di uscita è minima, a questo proposito viene fornito un amplificatore con una grande resistenza. In sostanza, la tensione dipende dalla capacità del circuito di ingresso. Le caratteristiche del trasduttore indicano sensibilità e capacità. Fondamentalmente, questa è la carica e gli indicatori del dispositivo. Se calcolata in totale, si otterrà la seguente potenza di uscita: Sq =q/F o Uxx=re11 FA/Co.
Per espandere la gamma di frequenza, è necessario aumentare le variabili basse misurate verso un circuito a tempo costante. È facile farlo accendendocondensatori che si trovano in parallelo con il dispositivo. In questo caso, tuttavia, la tensione di uscita diminuirà. La resistenza che è stata aumentata amplierà la gamma senza perdita di sensibilità. Ma per aumentarlo, sono necessarie migliori qualità di isolamento e amplificatori con un ingresso ad alta resistenza.
Descrizione dei circuiti di misura
La resistenza specifica e superficiale determina la propria, e il componente principale per il quarzo è maggiore, quindi il trasduttore piezoelettrico deve essere sigillato. Di conseguenza, la qualità è migliorata e la superficie è protetta dall'umidità e dallo sporco. I circuiti di misurazione del sensore sono stati creati come amplificatori ad alta resistenza, basati su uno stadio di uscita a transistor ad effetto di campo e un amplificatore non invertente con un dispositivo operazionale. La tensione viene fornita all'ingresso e all'uscita.
Tuttavia, questo trasduttore piezoelettrico obsoleto aveva dei difetti:
- dipendenza della tensione di uscita e della sensibilità in relazione al volume del sensore;
- capacità instabile che cambia a causa delle condizioni di temperatura.
La tensione dell'amplificatore e la sensibilità sono determinate dall'errore consentito, se il volume stabile incluso è integrato con C1. Formula: ys=(ΔCo + ΔCk)/(Co+Ck +C1). Dopo la trasformazione otteniamo: S=Ubx/F. Se il coefficiente aumenta, rispettivamente, e queste variabili aumentano. Il circuito di misura è caratterizzato da:
- linea temporale costante;
- resistenza R è determinata dal guadagno in ingresso, isolamento di sensori, cavi e R3;
- I transistor MOS sono più potenti dei dispositivi da campo ma hanno un livello di rumore elevato;
- R3 stabilizza la tensione, il suo valore è calcolato come ~ 1011 Ohm.
Analizzando l'ultima variabile, possiamo assumere che la linea di tempo costante sia la seguente: t ≦ 1c. I dispositivi odierni possono utilizzare sensori piezoelettrici con amplificatori di tensione per caricare.
Vantaggi del dispositivo
Il trasduttore piezoelettrico presenta i seguenti vantaggi:
- facile montaggio strutturale;
- dimensioni;
- affidabilità;
- conversione della tensione meccanica in carica elettrica;
- variabili che possono essere misurate rapidamente.
Nel caso di un materiale come il quarzo, che è vicino allo stato ideale del corpo, la trasformazione della meccanica in una carica elettrica è possibile con un errore minimo da -4 a -6. Tuttavia, lo sviluppo della tecnologia ad alta precisione ha migliorato la capacità di realizzare una precisione senza perdite. Di conseguenza, possiamo concludere che questi trasduttori piezoelettrici sono i più adatti per misurare forze, pressione e altri elementi.
L'accelerazione PET ha la seguente struttura:
- tutti i materiali sono fissati alla base in titanio;
- due hanno acceso simultaneamente elementi piezoelettricidal quarzo;
- massa inerziale ad alta densità progettata per dimensioni minime;
- rimozione del segnale con lamina di ottone;
- lei, a sua volta, è collegata a un cavo saldato;
- sensore coperto da un tappo avvitato alla base;
- per fissare il misuratore sull'oggetto, tagliare il filo.
Nonostante la massa, il sensore è abbastanza stabile e denso. Funziona a 150 m/s2.
Caratteristiche di progettazione dei convertitori
Se è necessario fabbricare un sensore accelerometro, è importante fissare correttamente le piastre piezoelettriche alla base. Questa azione viene eseguita mediante saldatura. Il cavo deve soddisfare i seguenti requisiti:
- la resistenza di isolamento dovrebbe essere alta;
- lo schermo è posizionato vicino al soggiorno;
- anti-vibrazioni;
- flessibilità.
Cioè, il cavo non deve essere scosso all'ingresso dell'amplificatore. Il circuito di misura è creato simmetricamente in modo che non si verifichino interferenze. Nel sensore la connessione è asimmetrica, la resistenza dei conduttori e della custodia è collegata in modo tale da ottenere l'isolamento delle piastre esterne. Per ottenere il risultato desiderato, il misuratore deve essere realizzato con un numero dispari di materiali utilizzati nel processo. Gli elementi sono premuti contro l'amplificatore tramite fori nella parte centrale e tramite isolatori avvitati alla cassa.
Caratteristiche dei dispositivi di misurazione delle vibrazioni
Per aumentare la sensibilità del misuratore è necessario utilizzare elementi piezoelettrici ad alto modulo. Questoil materiale è posato in parallelo in una fila e collegato con guarnizioni e piastre metalliche. Per un effetto simile, possono ancora essere utilizzate sostanze che agiscono sulla flessione. Tuttavia, sono a bassa frequenza e inferiori alla meccanica di compressione.
Il materiale può essere bimorfo, di solito viene raccolto in serie o in parallelo, tutto dipende dagli assi posizionati positivamente. Di norma, questi sono due piatti. Se si tiene conto dello strato neutro, al posto di un elemento piezoelettrico è possibile utilizzare un rivestimento in metallo di spessore medio.
Per misurare segnali che si muovono abbastanza lentamente, procedi come segue:
- trasduttore piezoelettrico incluso nell'oscillatore;
- il cristallo è alla frequenza di risonanza;
- non appena si verifica il carico, gli indicatori cambieranno.
Oggi, gli accelerometri piezoelettrici sono dispositivi avanzati che possono essere ad alta frequenza, con una forte sensibilità.
Fonte di energia alternativa tramite convertitori
Uno dei mezzi famosi e inesauribili per generare elettricità è l'energia delle onde. Tali stazioni sono montate direttamente nell'ambiente acquatico. Questo fenomeno è associato ai raggi del sole, che riscaldano la massa d'aria, a causa della quale si formano le onde. L'albero di questo fenomeno ha un'intensità energetica, che è determinata dalla forza del vento, dall'ampiezza dei fronti d'aria, dalla durata delle raffiche.
Il valore può fluttuare in acque poco profonde o raggiungere i 100 kW per metro. Il convertitore di energia delle onde piezoelettriche funziona secondo un certo principio. Il livello dell'acqua aumenta per mezzo di un'onda, nel processo l'aria viene espulsa dalla nave. I flussi vengono quindi fatti passare da una turbina di inversione. L'unità ruota in una certa direzione, indipendentemente dal movimento delle onde.
Questo dispositivo ha una caratteristica positiva. Fino ad oggi, il miglioramento del design non è previsto, perché l'efficienza e il principio di funzionamento sono stati dimostrati in tutti i modi esistenti. Nel processo di progresso tecnologico, potrebbero essere costruite stazioni galleggianti.
Trasduttore piezoelettrico ad ultrasuoni
Questo dispositivo è progettato in modo tale da non richiedere impostazioni aggiuntive. È dotato di un blocco di memoria, che dà il risultato tecnico. Si riferisce a dispositivi di controllo e misurazione. Tali dispositivi differiscono per tipo, caratteristiche tecniche, che vengono compilati sulla base di dati di progettazione e scopo con errori minimi. Tutti i requisiti sono considerati in base alla progettazione.
Per tutti questi dispositivi, viene fornito uno schema di creazione standard: un rilevatore di difetti, un alloggiamento, elettrodi, l'elemento principale fissato alla base, un nucleo, un foglio e altri materiali. Un trasduttore piezoelettrico ad ultrasuoni è un modello di utilità. Ti permette di ricevere i dati direttamente utilizzando il suono installato sulla base del dispositivo.
Applicazioni trasduttore piezoelettrico
Dispositivi coneffetto diretto sono utilizzati negli strumenti che misurano forza, pressione, accelerazione. Hanno un alto livello di frequenza e durezza. L'apparecchio con feedback viene utilizzato nelle vibrazioni ultrasoniche, nella conversione dello stress in deformazione, nel bilanciamento. Se si prendono in considerazione entrambi gli effetti contemporaneamente, questa opzione è adatta per i piezorisonatori che convertono un tipo di energia in un altro piuttosto rapidamente.
I dispositivi positivi, collegati nella direzione opposta, funzionano su oscillazioni automatiche e vengono utilizzati nei generatori. L'ambito della loro applicazione è ampio, poiché hanno un'elevata stabilità se creati correttamente. Spesso vengono utilizzati diversi risuonatori piezoelettrici per ottenere l'effetto desiderato e ottenere le informazioni corrette.
Svantaggi dei convertitori
Questi dispositivi hanno un numero enorme di aspetti positivi. Tuttavia, hanno anche caratteristiche negative:
- resistenza di uscita - massima;
- I circuiti e i cavi di misura devono essere creati in base a requisiti e linee guida rigorosi.
Il calcolo del trasduttore piezoelettrico deriva inizialmente dalla formula dell'equazione per la frequenza di risonanza: Fp =0.24 ·c·. Spessore lastra: h=FAp a2 / 0,24 c=35 103 25 10 -6/ 0,24 2900=1,257 10-3m. Le caratteristiche energetiche sono calcolate come segue: Wak =Wak.ud S=40 4.53 10-3.
