I vårt daglige liv kommer vi over forskjellige situasjoner der vi måler fysiske størrelser som mekanisk belastning på metall, temperaturnivåer, trykknivåer osv. For alle disse applikasjonene trenger vi en enhet som kan måle disse ukjente mengdene i enheter og kalibreringer kjent for oss. En slik enhet som er mest nyttig for oss er TRANSDUCER . Transduseren er en elektrisk enhet som kan konvertere alle typer fysiske størrelser i form av proporsjonal elektrisk mengde enten som spenning eller elektrisk strøm . Fra det store bassenget med ulike typer svinger, har denne artikkelen som mål å forklare piezoelektriske transdusere .
Hva er Piezoelectric Transducer?
De definisjon av en piezoelektrisk transduser er en elektrisk svinger som kan konvertere alle former for fysisk mengde til et elektrisk signal , som kan brukes til måling. En elektrisk transduser som bruker egenskaper av piezoelektriske materialer for konvertering av fysiske størrelser til elektriske signaler er kjent som a piezoelektrisk transduser.
Piezoelektrisk transduser
Piezoelektriske materialer viser eiendommen til piezoelektrisitet , ifølge hvilken påføring av en hvilken som helst type mekanisk spenning eller belastning fører til generering av en elektrisk spenning proporsjonal med den påførte spenningen. Denne produserte elektriske spenningen kan måles ved hjelp av spenning måleinstrumenter for å beregne verdien av belastning eller belastning på materialet.
Typer av piezoelektriske materialer
Noen av typene piezoelektriske materialer er:
Naturlig tilgjengelige: Kvarts, Rochelle salt, Topaz, mineraler i turmalingruppen og noen organiske stoffer som silke, tre, emalje, bein, hår, gummi, dentin. Produserer kunstig piezoelektriske materialer er polyvinylidendifluorid, PVDF eller PVF2, bariumtitanat, blytitanat, blyzirkonattitanat (PZT), kaliumniobat, litiumniobat, litiumtantalat og annen blyfri piezoelektrisk keramikk.
Ikke alle piezoelektriske materialer kan brukes i piezoelektriske transdusere . Det er visse krav som de piezoelektriske materialene skal brukes som transdusere. Materialene som brukes til måleformål bør ha frekvensstabilitet, høye utgangsverdier, ufølsomme for ekstreme temperatur- og fuktighetsforhold, og som kan være tilgjengelige i forskjellige former eller bør være fleksible for å bli produsert i forskjellige former uten å forstyrre deres egenskaper.
Dessverre er det ikke noe piezoelektrisk materiale som har alle disse egenskapene. Kvarts er en svært stabil krystall som er naturlig tilgjengelig, men den har små utgangsnivåer. Sakte varierende parametere kan måles med kvarts. Rochelle salt gir de høyeste ytelsesverdiene, men det er følsomt for miljøforhold og kan ikke brukes over 1150F.
Piezoelektrisk transduser Arbeider
Piezoelektrisk transduser fungerer med prinsippet om piezoelektrisitet. Ansiktene til piezoelektrisk materiale, vanlig kvarts, er belagt med et tynt lag av ledende materiale som sølv. Når stress har påført, beveger ionene seg i materialet mot den ene av den ledende overflaten mens de beveger seg bort fra den andre. Dette resulterer i generering av ladning. Denne ladningen brukes til kalibrering av stress. Polariteten til den produserte ladningen avhenger av retningen til den påførte spenningen. Stress kan brukes i to former som C ompressivt stress og Strekkstress som vist under.
Arbeider av en piezoelektrisk transduser
Piezoelektrisk transduserformel
Orienteringen av krystallet påvirker også mengden generert spenning. Krystall i en svinger kan ordnes i langsgående posisjon eller tverrgående posisjon .
Piezoelektrisk transduserformel
Langsgående og tverrgående effekt
I den langsgående effekten blir ladningen som genereres gitt av
Q = F * d
Der F er den påførte kraften, er d den piezoelektriske koeffisienten til krystallet.
Den piezoelektriske koeffisienten d for kvartskrystall er rundt 2,3 * 10-12C / N.
I tverrvirkningen er ladningen som genereres gitt av
Q = F * d * (b / a)
Når forholdet b / a er større enn 1 vil ladningen produsert ved tverrarrangement være større enn mengden generert av langsgående arrangement.
Piezoelektrisk transduserkrets
Arbeidet til en grunnleggende piezoelektrisk transduser kan forklares med figuren nedenfor.
Piezoelektrisk transduserkrets
Her brukes kvartskrystall belagt med sølv som en sensor for å generere en spenning når det påføres stress på den. En ladningsforsterker brukes til å måle den produserte ladningen uten spredning. For å trekke veldig lav strøm er motstanden R1 veldig høy. Kapasitansen til ledningsledningen som forbinder svingeren og piezoelektrisk sensor påvirker også kalibreringen. Så ladeforsterkeren er vanligvis plassert veldig nær sensoren.
Så i en piezoelektrisk transduser når mekanisk spenning påføres, genereres en proporsjonal elektrisk spenning som forsterkes ved hjelp av ladeforsterker og brukes til kalibrering av påført spenning.
Piezoelectric Ultrasonic Transducer
Den ultrasoniske piezoelektriske transduseren fungerer på prinsippet om det omvendte piezoelektrisk effekt . I denne effekten når strøm påføres et piezoelektrisk materiale, gjennomgår den fysiske deformasjoner proporsjonalt med påført ladning. Kretsen til ultralydtransduser er gitt nedenfor.
Ultralydspiezoelektrisk transduser
Her, den kvartskrystall er plassert mellom to metallplater A og B som er koblet til transformatorens primære L3. Transformatorens primære er induktivt koblet til elektronisk oscillator . Spolene L1 og L2, som utgjør sekundær transformator, er koblet til den elektroniske oscillatoren.
Når batteriet slås PÅ, produserer oscillatoren høyfrekvente vekselstrømspulser med frekvensen f = 1 ÷ (2π√L1C1). På grunn av dette induseres en fm i L3 som overføres til kvartskrystallet gjennom platene A og B. På grunn av den omvendte piezoelektriske effekten begynner krystallet å trekke seg sammen og utvide seg, og dermed skape mekaniske vibrasjoner.
Resonans finner sted når frekvensen av elektronisk oscillator er lik den naturlige frekvensen til kvartset. På dette punktet produserer kvarts langsgående ultralydbølger med stor amplitude.
Piezoelektriske transduserapplikasjoner
- Ettersom piezoelektriske materialer ikke kan måle statiske verdier, brukes disse primært til å måle overflateruhet, i akselerometre og som vibrasjonsopptak.
- De brukes i seismografer for å måle vibrasjoner i raketter.
- I strekkmålere for å måle kraft, stress, vibrasjoner osv ...
- Brukes av bilindustrien til å måle detonasjoner i motorer.
- Disse brukes i ultralydsavbildning i medisinske applikasjoner.
Fordeler og begrensninger av piezoelektriske transdusere
Fordelene og begrensningene med piezoelektriske transdusere inkluderer følgende.
Fordeler
- Disse er aktive transdusere, det vil si at de ikke trenger ekstern strøm for å arbeide, og er derfor selvgenererende.
- Den høyfrekvente responsen til disse transduserne er et godt valg for forskjellige bruksområder.
Begrensninger
- Temperatur- og miljøforhold kan påvirke transduserens oppførsel.
- De kan bare måle skiftende trykk, derfor er de ubrukelige mens de måler statiske parametere.
Dermed handler dette om Piezoelektrisk transduser , Arbeidsprinsipp, formel, krets med arbeid, fordeler, begrensninger, og også applikasjoner. Fra informasjonen ovenfor er det forskjellige anvendelser av piezoelektrisk transduser som vi har diskutert. For hvilken applikasjon har du brukt den piezoelektriske svingeren? Hvordan var opplevelsen din?
