Dessa omvandlare tillhör en undergrupp av generatorer, de är baserade på mekaniskt ackumulerade elektriska laddningar. Som ett resultat särskiljs följande samband: Q=d P. I detta fall är d den piezoelektriska modulen och P är kraften. Som regel är materialet kvarts, turmalin, glödgningsblandningar, barium, bly. För att designa en piezoelektrisk givare är det nödvändigt att använda belastningsmönster: kompression, böjning, skjuvning, spänning.
Direkt och omvänd piezoelektrisk effekt
Den direkta effekten kännetecknas av följande: det kristallina materialet som används bildar ett gitter på grund av laddade joner ordnade i en viss ordning. I processen alternerar olika partiklar och kompenserar ömsesidigt, vilket resulterar i elektrisk neutralitet. Kristaller har egenskaper som indikeras enligt följande:
- symmetri med avseende på axeln;
- med tanke på den tidigare vyn, visas ett gitter med joner som alternerar och kompenserar.
Om materialet som används i processen riktas mot kraften Fx, dådeformeras ändras avståndet mellan de positiva och negativa laddningarna och riktningen i den givna axeln elektrifieras. Allt detta uttrycks i formeln q=d11Fx och är proportionell mot kraft. Koefficienten är associerad med ämnet och dess tillstånd, den har ett namn - den piezoelektriska modulen. Index bestäms av styrka och kant, men om du ändrar riktning blir effekten annorlunda.
Den piezoelektriska givaren i den direkta processen elektrifierar kristallerna under påverkan av yttre krafter. Denna effekt uppstår under påverkan av ämnen som är elektriker. För att göra mätinstrument behöver du kvartskristaller. Det vill säga, funktionsprincipen för den piezoelektriska omvandlaren är som följer: med en direkt effekt utförs åtgärden genom mekanik, och med omvänt deformeras kristaller.
Ytterligare piezoeffekter
Kristall kan polariseras när plattan utsätts för krafter på X-, Y-axlarna Fy – tvärgående, med Fz inga avgifter tillkommer. Kvartskristallen är placerad på tre koordinataxlar. För att använda piezoelektriska givare är det nödvändigt att skära en platta som indikerar effekten. Den har följande beskrivning:
- hög styrka;
- spänning tillåten upp till 108 N/m2, så stora mätbara krafter är möjliga;
- styvhet och elasticitet;
- minimal friktion inuti;
- stabilitet,som inte ändras;
- Maximal kvalitetsfaktor för det tillverkade materialet.
Kvartsplattor används endast i givare som mäter tryck och kraft. Med tanke på materialets hårdhet är det svårt att bearbeta, så en enkel form skapas av det. Modulen är konstant vid en konstant temperatur. Om det ökar, är det i det här fallet en minskning av modulen. De piezoelektriska egenskaperna försvinner vid 573 grader Celsius.
Beskrivning av enheten och mätkretsarna
Piezoelektrisk tryckgivare har följande struktur:
- membran, som är botten av fodralet;
- det yttre fodret är jordat, och det mittersta är isolerat med kvarts;
- plattorna har högt motstånd, parallellkopplade;
- folien och kabelns innerkärna fästs i ett hål som stängs av ett lock.
Uteffekten är minimal, i detta avseende tillhandahålls en förstärkare med ett stort motstånd. I huvudsak beror spänningen på kapacitansen hos ingångskretsen. Givarens egenskaper indikerar känslighet och kapacitans. I grund och botten är detta laddningen och enhetens egna indikatorer. Om den beräknas tot alt, kommer följande uteffekt att erhållas: Sq =q/F eller Uxx=d11 F/Co.
För att utöka frekvensområdet är det nödvändigt att öka de uppmätta låga variablerna mot en konstant tidskrets. Det är lätt att göra detta genom att slå påkondensatorer som är placerade parallellt med enheten. I detta fall kommer dock utspänningen att minska. Resistansen som har ökat kommer att utöka räckvidden utan förlust av känslighet. Men för att öka den behövs förbättrade isoleringsegenskaper och förstärkare med högresistansingång.
Beskrivning av mätkretsar
Specifik resistans och ytresistans bestämmer sin egen, och huvudkomponenten för kvarts är högre, så den piezoelektriska givaren måste tätas. Som ett resultat förbättras kvaliteten och ytan skyddas mot fukt och smuts. Sensormätkretsar skapades som högresistansförstärkare, som var baserade på ett fälteffekttransistorutgångssteg och en icke-inverterande förstärkare med en funktionsanordning. Spänning tillförs ingång och utgång.
Den här föråldrade piezoelektriska givaren hade dock brister:
- beroende av utspänning och känslighet i förhållande till sensorvolym;
- instabil kapacitet som ändras på grund av temperaturförhållanden.
Förstärkarens spänning och känsligheten bestäms av det tillåtna felet, om den medföljande stabila volymen kompletteras med C1. Formel: ys=(ΔCo + ΔCk)/(Co+Ck +C1). Efter transformation får vi: S=Ubx/F. Om koefficienten ökar, respektive, och dessa variabler ökar. Mätkretsen kännetecknas av:
- konstant tidslinje;
- resistans R bestäms av ingångsförstärkning, isolering av sensorer, kablar och R3;
- MOS-transistorer är starkare än fältenheter men har en hög brusnivå;
- R3 stabiliserar spänningen, dess värde beräknas som ~ 1011 Ohm.
När vi analyserar den sista variabeln kan vi anta att den konstanta tidslinjen är som följer: t ≦ 1c. Enheter idag kan använda piezoelektriska sensorer med spänningsförstärkare för att ladda.
Device Advantages
Den piezoelektriska givaren har följande fördelar:
- lätt strukturell montering;
- dimensions;
- tillförlitlighet;
- konvertering av mekanisk spänning till elektrisk laddning;
- variabler som kan mätas snabbt.
I fallet med ett material som kvarts, som ligger nära kroppens ide altillstånd, är omvandlingen av mekanik till en elektrisk laddning möjlig med ett minsta fel på -4 till -6. Utvecklingen av högprecisionsteknologi har dock förbättrat förmågan att realisera förlustfri noggrannhet. Som ett resultat kan vi dra slutsatsen att dessa piezoelektriska givare är de mest lämpade för att mäta krafter, tryck och andra element.
PET-acceleration har följande struktur:
- alla material är fästa på titanbasen;
- två påslagna piezoelektriska element samtidigtfrån kvarts;
- tröghetsmassa med hög densitet utformad för minimimått;
- signalborttagning med mässingsfolie;
- hon är i sin tur ansluten till en kabel som är lödd;
- sensor täckt av ett lock som skruvas in i basen;
- för att fixera mätaren på föremålet, klipp av tråden.
Trots massan är sensorn ganska stabil och tät. Fungerar i 150 m/s2.
Designfunktioner hos omvandlare
Om det är nödvändigt att tillverka en accelerometersensor är det viktigt att korrekt fästa de piezoavkännande plattorna på basen. Denna åtgärd utförs genom lödning. Kabeln måste uppfylla följande krav:
- isolationsmotståndet bör vara högt;
- skärmen är placerad bredvid vardagsrummet;
- antivibration;
- flexibility.
Det vill säga att kabeln inte ska skakas vid ingången på förstärkaren. Mätkretsen skapas symmetriskt så att störningar inte uppstår. I sensorn är anslutningen asymmetrisk, ledningarnas resistans och höljet är anslutna på ett sådant sätt att isoleringen av de yttre plattorna erhålls. För att uppnå önskat resultat krävs att mätaren är tillverkad av ett udda antal material som används i processen. Elementen pressas mot förstärkaren genom hål i den centrala delen och genom isolatorer som skruvas fast i höljet.
Funktioner för vibrationsmätningsenheter
För att öka känsligheten hos mätanordningen är det nödvändigt att använda piezoelektriska element med hög modul. Dettamaterialet läggs parallellt i rad och ansluts med metallpackningar och plattor. För en liknande effekt kan ämnen som fungerar på böjning fortfarande användas. De är dock lågfrekventa och sämre än kompressionsmekaniken.
Material kan vara bimorft, det samlas vanligtvis i serie eller parallellt, allt beror på de positivt placerade axlarna. Som regel är dessa två plattor. Om det neutrala skiktet beaktas kan ett överlägg av metall med medeltjocklek användas istället för ett piezoelektriskt element.
För att mäta signaler som rör sig tillräckligt långsamt, gör följande:
- piezoelektrisk givare ingår i oscillatorn;
- kristall har resonansfrekvens;
- så snart belastningen inträffar kommer indikatorerna att ändras.
I dag är piezoaccelerometrar avancerade enheter som kan vara högfrekventa, med stark känslighet.
Alternativ energikälla genom omvandlare
Ett av de berömda och outtömliga sätten att generera elektricitet är vågenergi. Sådana stationer monteras direkt i vattenmiljön. Detta fenomen är förknippat med solens strålar, som värmer upp luftmassan, på grund av vilka vågor uppstår. Skaftet för detta fenomen har en energiintensitet, som bestäms av vindens styrka, bredden på luftfronterna, vindbyarnas varaktighet.
Värdet kan fluktuera på grunt vatten eller nå 100 kW per meter. Den piezoelektriska vågenergiomvandlaren fungerar enligt en viss princip. Vattennivån stiger med hjälp av en våg, i processen pressas luften ut ur kärlet. Flödena leds sedan igenom av en vändturbin. Enheten roterar i en viss riktning, oavsett vågornas rörelse.
Denna enhet har en positiv egenskap. Fram till idag förutsägs inte förbättringen av designen, eftersom effektiviteten och driftprincipen har bevisats på alla befintliga sätt. Under den tekniska utvecklingsprocessen kan flytande stationer byggas.
Ultraljud piezoelektrisk givare
Denna enhet är designad på ett sådant sätt att den inte kräver ytterligare inställningar. Den är utrustad med ett minnesblock, vilket ger det tekniska resultatet. Avser styr- och mätanordningar. Sådana enheter skiljer sig åt i typ, tekniska egenskaper, som sammanställs på basis av design- och ändamålsdata med minimala fel. Alla krav beaktas baserat på design.
För alla sådana enheter tillhandahålls ett standardschema för skapande: en feldetektor, ett hölje, elektroder, huvudelementet som är fäst vid basen, en kärna, folie och andra material. En piezoelektrisk ultraljudsgivare är en bruksmodell. Den låter dig ta emot data direkt med ljudet som är installerat på enhetens bas.
Piezoomvandlarapplikationer
Enheter meddirekt effekt används i instrument som mäter kraft, tryck, acceleration. De har en hög nivå av frekvens och hårdhet. Apparater med återkoppling används i ultraljudsvibrationer, omvandling av stress till deformation, balansering. Om båda effekterna tas med i beräkningen samtidigt, är det här alternativet lämpligt för piezoresonatorer som omvandlar en typ av energi till en annan ganska snabbt.
Positiva enheter, anslutna i motsatt riktning, fungerar på automatiska svängningar och används i generatorer. Omfattningen av deras tillämpning är omfattande, eftersom de har hög stabilitet när de är rätt skapade. Ofta används flera piezoresonatorer för att uppnå önskad effekt och få rätt information.
Nackdelar med omvandlare
Dessa enheter har ett stort antal positiva aspekter. Men de har också negativa egenskaper:
- utgångsmotstånd - max;
- mätkretsar och kablar måste skapas utifrån strikta krav och riktlinjer.
Beräkning av den piezoelektriska givaren härleder initi alt ekvationsformeln för resonansfrekvensen: Fp =0,24 ·c·. Plåttjocklek: h=Fp a2 / 0,24 c=35 103 25 10 -6/ 0,24 2900=1,257 10-3m. Energiegenskaperna beräknas enligt följande: Wak =Wak.ud S=40 4.53 10-3.
