Piëzo-elektrische sensor:circuit, specificaties en toepassingen

Sensoren zijn apparaten die worden gebruikt om de verschillende soorten fysieke grootheden uit de omgeving te detecteren of te voelen. De invoer kan licht, warmte, beweging, vocht, druk, trillingen enz. zijn. De gegenereerde uitvoer is meestal een elektrisch signaal dat evenredig is aan de toegepaste invoer. Deze uitgang wordt gebruikt om de ingang te kalibreren of het uitgangssignaal wordt via een netwerk verzonden voor verdere verwerking. Op basis van de te meten input zijn er verschillende soorten sensoren. Op kwik gebaseerde thermometer fungeert als een temperatuursensor , een zuurstofsensor in het emissiecontrolesysteem van auto's detecteert zuurstof, een fotosensor detecteert de aanwezigheid van zichtbaar licht. In dit artikel beschrijven we de piëzo-elektrische sensor . Raadpleeg de link voor meer informatie over het piëzo-elektrische effect.

Definitie van een piëzo-elektrische sensor

Een sensor die werkt volgens het principe van piëzo-elektriciteit staat bekend als een piëzo-elektrische sensor. Waar piëzo-elektriciteit een fenomeen is waarbij elektriciteit wordt opgewekt als mechanische spanning op een materiaal wordt uitgeoefend. Niet alle materialen hebben piëzo-elektrische eigenschappen.

Er zijn verschillende soorten piëzo-elektrische materialen. Voorbeelden van piëzo-elektrische materialen zijn natuurlijke beschikbare eenkristalkwarts, been enz... Kunstmatig vervaardigd zoals PZT-keramiek enz...

Werking van een piëzo-elektrische sensor

De vaak gemeten fysieke grootheden door een piëzo-elektrische sensor zijn versnelling en druk. Zowel druk- als versnellingssensoren werken volgens hetzelfde principe van piëzo-elektriciteit, maar het belangrijkste verschil tussen beide is de manier waarop kracht wordt uitgeoefend op hun sensorelement.

In de druksensor wordt een dun membraan op een massieve basis geplaatst om de uitgeoefende kracht over te brengen op het piëzo-elektrische element . Bij het uitoefenen van druk op dit dunne membraan wordt het piëzo-elektrische materiaal geladen en begint het elektrische spanningen te genereren. De geproduceerde spanning is evenredig met de hoeveelheid toegepaste druk.

In versnellingsmeters , wordt seismische massa aan het kristalelement bevestigd om de uitgeoefende kracht over te brengen op piëzo-elektrische materialen. Wanneer beweging wordt toegepast, is de seismische massabelasting het piëzo-elektrische materiaal volgens de tweede wet van Newton van beweging. Het piëzo-elektrische materiaal genereert lading die wordt gebruikt voor het kalibreren van beweging.

Er wordt een versnellingscompensatie-element gebruikt samen met een druksensor omdat deze sensoren ongewenste trillingen kunnen opvangen en valse metingen kunnen weergeven.

Piëzo-elektrisch sensorcircuit

Een intern circuit van een piëzo-elektrische sensor is hierboven weergegeven. De weerstand Ri is de interne weerstand of isolatorweerstand. De inductantie is te wijten aan de traagheid van de sensor. De capaciteit Ce is omgekeerd evenredig met de elasticiteit van het sensormateriaal. Voor een goede respons van de sensor moeten de belasting en lekweerstand groot genoeg zijn zodat lage frequenties behouden blijven. Een sensor kan een druktransducer . worden genoemd in een elektrisch signaal. Sensoren worden ook wel primaire transducers genoemd.

Piëzo-elektrische sensorspecificaties

Enkele van de basiskenmerken van piëzo-elektrische sensoren zijn

• • Het meetbereik: Dit bereik is onderhevig aan meetlimieten.

• • Gevoeligheid S: Verhouding van verandering in uitgangssignaal ∆y tot het signaal dat de verandering ∆x veroorzaakte.
    S =∆y/∆x.
  • Betrouwbaarheid: Dit verklaart het vermogen van de sensoren om kenmerken binnen bepaalde limieten te houden onder ingestelde operationele omstandigheden.

Daarnaast zijn sommige specificaties van piëzo-elektrische sensoren een reactiedrempel, fouten, indicatietijd enz...

• Deze sensoren bevatten als impedantiewaarde ≤500Ω.
• Deze sensoren werken over het algemeen in een temperatuurbereik van ongeveer -20°C tot +60°C.
• Deze sensoren moeten op een temperatuur tussen -30°C en +70°C worden gehouden om te voorkomen dat ze verslechteren.
• Deze sensoren hebben een zeer lage Soldering temperatuur.
• Strain gevoeligheid van een piëzo-elektrische sensor is 5V/µƐ.
• Vanwege zijn hoge flexibiliteit is kwarts het meest geprefereerde materiaal als piëzo-elektrische sensor.

Piëzo-elektrische sensor met Arduino

Omdat we moeten weten wat een piëzo-elektrische sensor is, gaan we kijken naar een eenvoudige toepassing van deze sensor met Arduino. Hier proberen we een LED te schakelen wanneer de druksensor voldoende kracht detecteert.

Hardware vereist

• Arduino-bord .
• Piëzo-elektrische druksensor.
• LED
• 1 MΩ weerstand.

Circuitdiagram:

• Hier is de positieve draad van de sensor aangegeven met rode draad verbonden met de A0 analoge pin van het Arduino-bord, terwijl de negatieve draad aangegeven met zwarte draad is verbonden met aarde.
• Een weerstand van 1 MΩ is parallel aangesloten op het piëzo-element om de spanning en stroom geproduceerd door het piëzo-elektrische element te beperken en om de analoge ingang te beschermen tegen ongewenste trillingen.
• De LED-anode is verbonden met de digitale pin D13 van de Arduino en de kathode is verbonden met de grond.

Werkt

Er is een drempelwaarde van 100 ingesteld op het circuit, zodat de sensor niet wordt geactiveerd voor trillingen onder de drempel. Hierdoor kunnen we ongewenste kleine trillingen elimineren. Wanneer de uitgangsspanning die wordt gegenereerd door het sensorelement groter is dan de drempelwaarde, verandert de LED van status, d.w.z. als deze in de HIGH-status is, gaat deze naar LAAG. Als de waarde lager is dan de drempel, verandert de LED niet van status en blijft in de vorige status.

Code

const int ledPin =13; //LED aangesloten op digitale pin 13
const int Voeler =A0; // Sensor aangesloten op analoge pin A0
const int drempel =100; // Drempel is ingesteld op 100
int sensoraflezing =0; // variabele om de waarde op te slaan die van de sensorpin is gelezen
int ledState =LAAG; // variabele gebruikt om de laatste LED-status op te slaan, om het licht te schakelen

void setup()
{
pinMode(ledPin, OUTPUT); // declareer de ledPin als OUTPUT
}

void loop()
{
// lees de sensor en sla deze op in de variabele sensorReading:
sensorReading =analogRead(Sensor);

// als de sensorwaarde groter is dan de drempel:
if (sensorReading>=drempel)
{
// de status wijzigen van de ledPin:
ledState =!ledState;
// update de LED-pin:
digitalWrite(ledPin, ledState);
delay (10000); // vertraging
}
anders
{
digitalWrite (ledPin, ledState); // de beginstatus van de LED, d.w.z. LAAG.
}
}

Piëzo-elektrische sensortoepassingen

• • Piëzo-elektrische sensoren worden gebruikt voor schokdetectie .

• • Actieve piëzo-elektrische sensoren worden gebruikt voor diktemeter, flowsensor.

• • Passieve piëzo-elektrische sensoren zijn gebruikte microfoons, versnellingsmeters, muzikale pickups, enz...

• • Piëzo-elektrische sensoren worden ook gebruikt voor ultrasone beeldvorming.
  • Deze sensoren worden gebruikt voor optische metingen, micro-bewegingsmetingen, elektro-akoestiek enz...

Dit gaat dus allemaal over wat een piëzo-elektrische sensor is, eigenschappen, specificaties en ook een eenvoudige interface van de sensor met behulp van een Arduino-bord. Deze eenvoudig te gebruiken sensoren vinden een plaats in diverse toepassingen. Hoe heb je deze sensoren gebruikt in je project? Wat was de grootste uitdaging waarmee u te maken kreeg bij het gebruik van deze sensoren?