Ovi pretvarači pripadaju podgrupi generatora, bazirani su na mehanički akumuliranim električnim nabojima. Kao rezultat toga, razlikuje se sljedeći odnos: Q=d P. U ovom slučaju, d je piezoelektrični modul, a P je sila. U pravilu, materijal je kvarc, turmalin, mješavine za žarenje, barij, olovo. Za projektovanje piezoelektričnog pretvarača potrebno je koristiti obrasce opterećenja: kompresiju, savijanje, smicanje, napetost.
Direktni i reverzni piezoelektrični efekat
Direktni efekat karakteriše sledeće: korišćeni kristalni materijal formira rešetku zbog naelektrisanih jona raspoređenih u određenom redosledu. U tom procesu, različite čestice se izmjenjuju i međusobno kompenziraju, što rezultira električnom neutralnošću. Kristali imaju karakteristike koje su naznačene na sljedeći način:
- simetrija u odnosu na osu;
- s obzirom na prethodni prikaz, pojavljuje se rešetka sa ionima koji se izmjenjuju i kompenziraju.
Ako je materijal korišten u procesu usmjeren na silu Fx, tada jese deformiše, rastojanje između pozitivnog i negativnog naelektrisanja se menja, a smer u datoj osi je naelektrisan. Sve ovo je izraženo u formuli q=d11Fx i proporcionalno je sili. Koeficijent je povezan sa supstancom i njenim stanjem, ima ime - piezoelektrični modul. Indeksi su određeni jačinom i ivicom, ali ako promijenite smjer, učinak će biti drugačiji.
Pijezoelektrični pretvarač u direktnom procesu naelektriše kristale pod uticajem spoljnih sila. Ovaj efekat nastaje pod uticajem supstanci koje su električari. Za izradu mjernih instrumenata trebat će vam kristali kvarca. Odnosno, princip rada piezoelektričnog pretvarača je sljedeći: direktnim efektom djelovanje se provodi mehanikom, a obrnuto, kristali se deformiraju.
Dodatni piezo efekti
Kristal može biti polarizovan kada je ploča izložena silama na osi X, Y. Fy – poprečno, sa Fz nema troškova. Kristal kvarca se nalazi na tri koordinatne ose. Da bi se koristili piezoelektrični pretvarači, potrebno je izrezati ploču koja označava efekat. Ima sljedeći opis:
- visoke snage;
- napon dozvoljen do 108 N/m2, stoga su moguće velike mjerljive sile;
- krutost i elastičnost;
- minimalno trenje iznutra;
- stabilnost,koji se ne mijenja;
- Maksimalni faktor kvaliteta proizvedenog materijala.
Kvarcne ploče se koriste samo u pretvaračima koji mjere pritisak i silu. S obzirom na tvrdoću materijala, teško se obrađuje, pa se od njega stvara jednostavan oblik. Modul je konstantan pri konstantnoj temperaturi. Ako se poveća, tada u ovom slučaju dolazi do smanjenja modula. Piezoelektrična svojstva nestaju na 573 stepena Celzijusa.
Opis uređaja i mjernih krugova
Pijezoelektrični pretvarač pritiska ima sljedeću strukturu:
- membrana, koja je dno kućišta;
- spoljna obloga je uzemljena, a srednja je izolovana kvarcom;
- ploče imaju visok otpor, spojene paralelno;
- folija i unutrašnja jezgra kabla su pričvršćeni u rupu zatvorenu poklopcem.
Izlazna snaga je minimalna, s tim u vezi, obezbeđeno je pojačalo sa velikim otporom. U suštini, napon zavisi od kapacitivnosti ulaznog kola. Karakteristike pretvarača ukazuju na osjetljivost i kapacitet. U osnovi, ovo su indikatori napunjenosti i samog uređaja. Ako se izračuna ukupno, tada će se dobiti sljedeća izlazna snaga: Sq =q/F ili Uxx=d11 F/Co.
Za proširenje frekvencijskog opsega, potrebno je povećati izmjerene niske varijable prema stalnom vremenskom krugu. To je lako učiniti uključivanjemkondenzatori koji se nalaze paralelno sa uređajem. U ovom slučaju, međutim, izlazni napon će se smanjiti. Povećani otpor će proširiti opseg bez gubitka osjetljivosti. Ali da bi se to povećalo, potrebni su poboljšani kvaliteti izolacije i pojačala sa ulazom visokog otpora.
Opis mjernih krugova
Specifični i površinski otpor određuju sami, a glavna komponenta za kvarc je veća, tako da piezoelektrični pretvarač mora biti zapečaćen. Kao rezultat, kvaliteta je poboljšana, a površina zaštićena od vlage i prljavštine. Senzorski mjerni krugovi su kreirani kao pojačala visokog otpora, koja su se bazirala na izlaznom stupnju tranzistora s efektom polja i neinvertirajućem pojačavaču sa operativnim uređajem. Napon se dovodi na ulaz i izlaz.
Međutim, ovaj zastarjeli piezoelektrični pretvarač imao je nedostatke:
- ovisnost izlaznog napona i osjetljivosti u odnosu na zapreminu senzora;
- nestabilan kapacitet koji se mijenja zbog temperaturnih uslova.
Napon pojačala i osjetljivost određuju se dozvoljenom greškom, ako se uključena stabilna jačina dopuni sa C1. Formula: ys=(ΔCo + ΔCk)/(Co+Ck +C1). Nakon transformacije dobijamo: S=Ubx/F. Ako se koeficijent povećava, odnosno povećavaju se i ove varijable. Mjerni krug karakterizira:
- stalna vremenska linija;
- otpor R je određen ulaznim pojačanjem, izolacijom senzora, kablova i R3;
- MOS tranzistori su jači od terenskih uređaja, ali imaju visok nivo buke;
- R3 stabilizira napon, njegova vrijednost se izračunava kao ~ 1011 Ohm.
Analizirajući posljednju varijablu, možemo pretpostaviti da je konstantna vremenska linija sljedeća: t ≦ 1c. Današnji uređaji mogu koristiti piezoelektrične senzore sa pojačivačima napona za punjenje.
Prednosti uređaja
Pijezoelektrični pretvarač ima sljedeće prednosti:
- jednostavna konstrukcijska montaža;
- dimenzije;
- pouzdanost;
- pretvaranje mehaničkog napona u električni naboj;
- varijable koje se mogu brzo izmjeriti.
U slučaju materijala poput kvarca, koji je blizu idealnom stanju tijela, moguća je transformacija mehanike u električni naboj sa minimalnom greškom od -4 do -6. Međutim, razvoj tehnologije visoke preciznosti poboljšao je sposobnost ostvarivanja tačnosti bez gubitaka. Kao rezultat, možemo zaključiti da su ovi piezoelektrični pretvarači najpogodniji za mjerenje sila, pritiska i drugih elemenata.
PET ubrzanje ima sljedeću strukturu:
- svi materijali su pričvršćeni na titanijumsku bazu;
- dva istovremeno uključena piezoelektrična elementaod kvarca;
- inercijalna masa visoke gustine dizajnirana za minimalne dimenzije;
- uklanjanje signala mesinganom folijom;
- ona je zauzvrat spojena na kabl koji je zalemljen;
- senzor prekriven poklopcem uvrnutim u bazu;
- za fiksiranje merača na objektu, odrežite konac.
Uprkos masi, senzor je prilično stabilan i gust. Radi na 150 m/s2.
Dizajn karakteristike konvertera
Ako je potrebno izraditi senzor akcelerometra, važno je pravilno pričvrstiti piezo senzorske ploče na bazu. Ova radnja se izvodi lemljenjem. Kabl mora ispunjavati sljedeće zahtjeve:
- otpor izolacije bi trebao biti visok;
- paravan je postavljen pored dnevne sobe;
- anti-vibracija;
- fleksibilnost.
Odnosno, kabl ne treba tresti na ulazu pojačala. Mjerni krug je kreiran simetrično tako da ne dođe do smetnji. U senzoru je spoj asimetričan, otpor vodova i kućišta su spojeni na način da se dobije izolacija vanjskih ploča. Da bi se postigao željeni rezultat, mjerač mora biti izrađen od neparnog broja materijala koji se koriste u procesu. Elementi su pritisnuti na pojačalo kroz rupe u centralnom dijelu i kroz izolatore koji su pričvršćeni za kućište.
Karakteristike uređaja za mjerenje vibracija
Za povećanje osjetljivosti mjernog uređaja potrebno je koristiti piezoelektrične elemente visokog modula. Ovomaterijal se polaže paralelno u nizu i povezuje metalnim brtvama i pločama. Za sličan učinak još uvijek se mogu koristiti tvari koje djeluju na savijanje. Međutim, oni su niske frekvencije i inferiorniji od mehanike kompresije.
Materijal može biti bimorfan, obično se sakuplja serijski ili paralelno, sve zavisi od pozitivno lociranih osa. U pravilu se radi o dvije ploče. Ako se uzme u obzir neutralni sloj, umjesto piezoelektričnog elementa može se koristiti metalni sloj prosječne debljine.
Da biste izmjerili signale koji se kreću dovoljno sporo, učinite sljedeće:
- piezoelektrični pretvarač uključen u oscilator;
- kristal je na rezonantnoj frekvenciji;
- čim dođe do opterećenja, indikatori će se promijeniti.
Danas su piezo akcelerometri napredni uređaji koji mogu biti visoke frekvencije, sa jakom osjetljivošću.
Alternativni izvor energije putem pretvarača
Jedno od poznatih i neiscrpnih sredstava za proizvodnju električne energije je energija talasa. Takve stanice se montiraju direktno u vodenu sredinu. Ovaj fenomen je povezan sa sunčevim zracima, koji zagrijavaju masu zraka, zbog čega nastaju valovi. Okno ove pojave ima energetski intenzitet, koji je određen jačinom vjetra, širinom zračnih frontova, trajanjem naleta.
Vrijednost može varirati u plitkoj vodi ili doseći 100 kW po metru. Piezoelektrični pretvarač energije talasa radi po određenom principu. Nivo vode raste uz pomoć talasa, pri čemu se vazduh istiskuje iz posude. Tokovi se zatim propuštaju turbinom koja se okreće. Jedinica se rotira u određenom smjeru, bez obzira na kretanje valova.
Ovaj uređaj ima pozitivnu karakteristiku. Do danas se ne predviđa poboljšanje dizajna, jer su efikasnost i princip rada dokazani na sve postojeće načine. U procesu tehnološkog napretka mogu se graditi plutajuće stanice.
Ultrazvučni piezoelektrični pretvarač
Ovaj uređaj je dizajniran na način da ne zahtijeva dodatna podešavanja. Opremljen je memorijskim blokom koji daje tehnički rezultat. Odnosi se na kontrolne i mjerne uređaje. Takvi uređaji se razlikuju po vrsti, tehničkim karakteristikama, koji se sastavljaju na osnovu podataka o dizajnu i namjeni uz minimalne greške. Svi zahtjevi su uzeti u obzir na osnovu dizajna.
Za sve takve uređaje predviđena je standardna šema izrade: detektor grešaka, kućište, elektrode, glavni element koji se pričvršćuje na bazu, jezgro, folija i drugi materijali. Ultrazvučni piezoelektrični pretvarač je korisni model. Omogućava vam da direktno primate podatke koristeći zvuk instaliran na bazi uređaja.
Primjene piezo sonde
Uređaji sadirektni efekti se koriste u instrumentima koji mjere silu, pritisak, ubrzanje. Imaju visok nivo frekvencije i grubosti. Aparat sa povratnom spregom koristi se za ultrazvučne vibracije, pretvaranje napona u deformaciju, balansiranje. Ako se oba efekta uzmu u obzir istovremeno, onda je ova opcija pogodna za piezorezonatore koji prilično brzo pretvaraju jednu vrstu energije u drugu.
Pozitivni uređaji, povezani u suprotnom smjeru, rade na automatskim oscilacijama i koriste se u generatorima. Opseg njihove primjene je opsežan, jer imaju visoku stabilnost kada su pravilno kreirani. Često se koristi nekoliko piezo rezonatora da bi se postigao željeni efekat i dobila tačna informacija.
Nedostaci konvertera
Ovi uređaji imaju ogroman broj pozitivnih aspekata. Međutim, imaju i negativne karakteristike:
- izlazni otpor - maksimalni;
- mjerna kola i kablovi moraju biti kreirani na osnovu strogih zahtjeva i smjernica.
Proračun piezoelektričnog pretvarača na početku izvodi formulu jednačine za rezonantnu frekvenciju: Fp =0,24 ·c·. Debljina ploče: h=Fp a2 / 0,24 c=35 103 25 10 -6/ 0,24 2900=1,257 10-3m. Energetske karakteristike se izračunavaju na sljedeći način: Wak =Wak.ud S=40 4,53 10-3.
