În viața noastră de zi cu zi, întâlnim diverse situații în care trebuie să măsurăm cantități fizice, cum ar fi stresul mecanic aplicat pe metal, nivelurile de temperatură, nivelurile de presiune etc ... Pentru toate aceste aplicații avem nevoie de un dispozitiv care ar putea măsura aceste cantități necunoscute în unități și calibrări familiare pentru noi. Un astfel de dispozitiv care ne este cel mai util este TRANSDUCTOR . Traductorul este un dispozitiv electric care poate converti orice tip de mărime fizică sub formă de mărime electrică proporțională fie ca tensiune, fie ca tensiune curent electric . Din piscina mare de diferite tipuri de traductor, acest articol își propune să explice despre traductoare piezoelectrice .
Ce este traductorul piezoelectric?
definirea unui traductor piezoelectric este un traductor electric care poate converti orice formă de cantitatea fizică într-un semnal electric , care poate fi folosit pentru măsurare. Un traductor electric care utilizează proprietățile materialelor piezoelectrice pentru conversia mărimilor fizice în semnale electrice este cunoscut sub numele de traductor piezoelectric.
Traductor piezoelectric
Materialele piezoelectrice prezintă proprietatea piezoelectricitate , conform căruia prin aplicarea oricărui tip de solicitare mecanică sau tensiune duce la generarea unei tensiuni electrice proporționale cu solicitarea aplicată. Această tensiune electrică produsă poate fi măsurată folosind tensiunea instrumente de masura pentru a calcula valoarea stresului sau tensiunii aplicate materialului.
Tipuri de materiale piezoelectrice
Unele dintre tipurile de materiale piezoelectrice sunt:
Cele disponibile în mod natural: Cuarț, sare Rochelle, Topaz, minerale din grupul turmalină și unele substanțe organice precum mătase, lemn, smalț, os, păr, cauciuc, dentină. Produce artificial materiale piezoelectrice sunt difluorură de poliviniliden, PVDF sau PVF2, titanat de bariu, titanat de plumb, titanat de zirconat de plumb (PZT), niobat de potasiu, niobat de litiu, tantalat de litiu și alte ceramice piezoelectrice fără plumb.
Nu toate materialele piezoelectrice pot fi utilizate în traductoare piezoelectrice . Există anumite cerințe care trebuie îndeplinite de materialele piezoelectrice care trebuie utilizate ca traductoare. Materialele utilizate în scopul măsurării ar trebui să aibă stabilitate de frecvență, valori de ieșire ridicate, insensibile la condițiile extreme de temperatură și umiditate și care pot fi disponibile în diferite forme sau ar trebui să fie flexibile pentru a fi fabricate în diferite forme fără a le perturba proprietățile.
Din păcate, nu există nici un material piezoelectric care să aibă toate aceste proprietăți. Cuarţ este un cristal foarte stabil, care este disponibil în mod natural, dar are niveluri mici de ieșire. Parametrii care variază lent pot fi măsurați cu cuarț. Sarea Rochelle oferă cele mai mari valori de ieșire, dar este sensibilă la condițiile de mediu și nu poate fi operată la peste 1150F.
Traductorul piezoelectric funcționează
Traductor piezoelectric funcționează cu principiul piezoelectricității. Fețele materialului piezoelectric, cuarț obișnuit, sunt acoperite cu un strat subțire de material conductor, cum ar fi argintul. Când stresul a fost aplicat, ionii din material se deplasează spre una dintre suprafețele conductoare în timp ce se îndepărtează de cealaltă. Acest lucru are ca rezultat generarea de încărcare. Această încărcare este utilizată pentru calibrarea stresului. Polaritatea sarcinii produse depinde de direcția solicitării aplicate. Stresul poate fi aplicat în două forme ca C stres opresiv și Stresul la tracțiune așa cum se arată mai jos.
Funcționarea unui traductor piezoelectric
Formula traductorului piezoelectric
Orientarea cristalului afectează, de asemenea, cantitatea de tensiune generată. Cristalele dintr-un traductor pot fi aranjate în poziția longitudinală sau poziție transversală .
Formula traductorului piezoelectric
Efect longitudinal și transversal
În efectul longitudinal, sarcina generată este dată de
Q = F * d
Unde F este forța aplicată, d este coeficientul piezoelectric al cristalului.
Coeficientul piezoelectric d al cristalului de cuarț este în jur de 2,3 * 10-12C / N.
În efectul transversal, sarcina generată este dată de
Q = F * d * (b / a)
Când raportul b / a este mai mare de 1, sarcina produsă prin dispunerea transversală va fi mai mare decât cantitatea generată prin dispunerea longitudinală.
Circuitul traductorului piezoelectric
Funcționarea unui traductor piezoelectric de bază poate fi explicată prin figura de mai jos.
Circuitul traductorului piezoelectric
Aici cristalul de cuarț acoperit cu argint este folosit ca senzor pentru a genera o tensiune atunci când se aplică stres pe el. Un amplificator de sarcină este utilizat pentru a măsura sarcina produsă fără disipare. Pentru a trage un curent foarte mic, rezistența R1 este foarte mare. Capacitatea firului de plumb care conectează traductorul și senzor piezoelectric afectează, de asemenea, calibrarea. Deci, amplificatorul de încărcare este de obicei plasat foarte aproape de senzor.
Deci, într-un traductor piezoelectric, când se aplică tensiunea mecanică, se generează o tensiune electrică proporțională, care este amplificată cu ajutorul amplificatorului de sarcină și utilizată pentru calibrarea tensiunii aplicate.
Traductor cu ultrasunete piezoelectric
Traductorul piezoelectric cu ultrasunete funcționează pe principiul inversului efect piezoelectric . În acest efect, atunci când electricitatea este aplicată unui material piezoelectric, aceasta suferă deformări fizice proporționale cu sarcina aplicată. Circuitul traductor cu ultrasunete este prezentat mai jos.
Transductor piezoelectric cu ultrasunete
Aici cristal de cuarț este plasat între două plăci metalice A și B care sunt conectate la L3 primar al transformatorului. Primarul transformatorului este cuplat inductiv cu oscilator electronic . Bobinele L1 și L2, care se formează secundar ale transformatorului, sunt conectate la oscilatorul electronic.
Când bateria este pornită, oscilatorul produce impulsuri de tensiune alternativă de înaltă frecvență cu o frecvență f = 1 ÷ (2π√L1C1). Datorită acestui fapt, un e.m.f este indus în L3 care este transferat în cristalul de cuarț prin plăcile A și B. Datorită efectului piezoelectric invers, cristalul începe să se contracte și să se extindă alternativ, creând astfel vibrații mecanice.
Rezonanța are loc atunci când frecvența oscilator electronic este egală cu frecvența naturală a cuarțului. În acest moment, cuarțul produce unde ultrasonice longitudinale de amplitudine mare.
Aplicații pentru traductoare piezoelectrice
- Deoarece materialele piezoelectrice nu pot măsura valorile statice, acestea sunt utilizate în primul rând pentru măsurarea rugozității suprafeței, în accelerometre și ca o captare a vibrațiilor.
- Sunt folosite în seismografe pentru a măsura vibrațiile din rachete.
- În manometre pentru a măsura forța, stresul, vibrațiile etc ...
- Folosit de industriile auto pentru măsurarea detonațiilor din motoare.
- Acestea sunt utilizate în imagistică cu ultrasunete în aplicații medicale.
Avantajele și limitările traductoarelor piezoelectrice
Avantajele și limitările traductoarelor piezoelectrice includ următoarele.
Avantaje
- Acestea sunt traductoare active, adică nu necesită alimentare externă pentru funcționare și, prin urmare, se auto-generează.
- Răspunsul de înaltă frecvență al acestor traductoare reprezintă o alegere bună pentru diverse aplicații.
Limitări
- Temperatura și condițiile de mediu pot afecta comportamentul traductorului.
- Ele pot măsura presiunea schimbătoare doar prin urmare sunt inutile în timp ce măsoară parametrii statici.
Astfel, totul este vorba Traductor piezoelectric , Principiul de lucru, Formula, Circuitul cu funcționarea, Avantaje, Limitări și, de asemenea, aplicații. Din informațiile de mai sus, există diverse aplicații ale traductorului piezoelectric așa cum am discutat. Pentru ce aplicație ați folosit traductorul piezoelectric? Cum a fost experiența ta?
