Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial Internet of Things >> Sensor

Wat is een piëzo-elektrische transducer? Schakelschema, werking en toepassingen

In ons dagelijks leven komen we verschillende situaties tegen waarin we fysieke grootheden moeten meten, zoals mechanische stress toegepast op metaal, temperatuurniveaus, drukniveaus enz... Voor al deze toepassingen hebben we een apparaat nodig dat deze onbekende hoeveelheden kan meten in voor ons bekende eenheden en kalibraties. Een van die apparaten die voor ons het nuttigst is, is de TRANSDUCER . De transducer is een elektrisch apparaat dat elk type fysieke grootheid kan omzetten in de vorm van een proportionele elektrische grootheid, hetzij als spanning of als elektrische stroom . Uit de grote hoeveelheid verschillende soorten transducers, is dit artikel bedoeld om uitleg te geven over piëzo-elektrische transducers .


Wat is een piëzo-elektrische transducer?

De definitie van een piëzo-elektrische transducer is een elektrische transducer die elke vorm van fysieke grootheid kan omzetten in een elektrisch signaal , die kan worden gebruikt voor metingen. Een elektrische transducer die eigenschappen van piëzo-elektrische materialen gebruikt om fysieke grootheden om te zetten in elektrische signalen staat bekend als een piëzo-elektrische transducer.

Piëzo-elektrische transducer

Piëzo-elektrische materialen vertonen de eigenschap van piëzo-elektriciteit , volgens welke bij het aanleggen van elk type mechanische spanning of spanning leidt tot het genereren van een elektrische spanning die evenredig is met de uitgeoefende spanning. Deze geproduceerde elektrische spanning kan worden gemeten met behulp van meetinstrumenten om de waarde van spanning of spanning op het materiaal te berekenen.

Soorten piëzo-elektrische materialen

Enkele soorten piëzo-elektrische materialen zijn:

Natuurlijk beschikbare: Kwarts, Rochelle-zout, Topaas, mineralen uit de toermalijngroep en enkele organische stoffen zoals zijde, hout, email, been, haar, rubber, dentine. Maakt kunstmatig piëzo-elektrische materialen zijn polyvinylideendifluoride, PVDF of PVF2, bariumtitanaat, loodtitanaat, loodzirkonaattitanaat (PZT), kaliumniobaat, lithiumniobaat, lithiumtantalaat en andere loodvrije piëzo-elektrische keramiek.

Niet alle piëzo-elektrische materialen kunnen worden gebruikt in piëzo-elektrische transducers . Er zijn bepaalde vereisten waaraan moet worden voldaan door de piëzo-elektrische materialen die als transducers worden gebruikt. De materialen die voor meetdoeleinden worden gebruikt, moeten frequentiestabiliteit, hoge outputwaarden hebben, ongevoelig zijn voor de extreme temperatuur- en vochtigheidsomstandigheden en die in verschillende vormen beschikbaar kunnen zijn of flexibel moeten zijn om in verschillende vormen te worden vervaardigd zonder hun eigenschappen te verstoren.

Helaas is er geen piëzo-elektrisch materiaal dat al deze eigenschappen heeft. Kwarts is een zeer stabiel kristal dat van nature beschikbaar is, maar het heeft kleine outputniveaus. Met kwarts kunnen langzaam variërende parameters worden gemeten. Rochelle-zout geeft de hoogste outputwaarden, maar is gevoelig voor omgevingsomstandigheden en kan niet worden gebruikt boven 1150F.

Piëzo-elektrische transducer werkt

Piezo-elektrische transducer werkt volgens het principe van piëzo-elektriciteit. De vlakken van piëzo-elektrisch materiaal, gebruikelijk kwarts, zijn bedekt met een dunne laag geleidend materiaal zoals zilver. Wanneer er spanning is uitgeoefend, bewegen de ionen in het materiaal naar een van de geleidende oppervlakken terwijl ze van de andere weg bewegen. Dit resulteert in het genereren van lading. Deze lading wordt gebruikt voor het kalibreren van spanning. De polariteit van de geproduceerde lading hangt af van de richting van de aangelegde spanning. Stress kan in twee vormen worden toegepast als Compressieve spanning en Trekspanning zoals hieronder weergegeven.

Werking van een piëzo-elektrische transducer

Piëzo-elektrische transducerformule

De oriëntatie van het kristal heeft ook invloed op de hoeveelheid opgewekte spanning. Kristal in een transducer kan worden gerangschikt in longitudinale positie of dwarspositie .

Piëzo-elektrische transducer Formule

Longitudinaal en transversaal effect

In het longitudinale effect wordt de gegenereerde lading gegeven door

Q =F * d


Waar F de uitgeoefende kracht is, is d de piëzo-elektrische coëfficiënt van het kristal.

Piezo-elektrische coëfficiënt d van kwartskristal is ongeveer 2,3 * 10 -12 C/N.

In het transversale effect wordt de gegenereerde lading gegeven door

Q =F * d * (b/a)

Als de verhouding b/a groter is dan 1 zal de lading die wordt geproduceerd door transversale rangschikking groter zijn dan de hoeveelheid die wordt gegenereerd door longitudinale rangschikking.

Piëzo-elektrisch transducercircuit

De werking van een piëzo-elektrische transducer kan worden verklaard door de onderstaande afbeelding.

Piëzo-elektrische transducer Circuit

Hier wordt met zilver bekleed kwartskristal gebruikt als sensor om een ​​spanning op te wekken wanneer er spanning op wordt uitgeoefend. Een ladingsversterker wordt gebruikt om de geproduceerde lading te meten zonder dissipatie. Om een ​​zeer lage stroom te trekken, is de weerstand R1 erg hoog. De capaciteit van de geleidingsdraad die de transducer en de piëzo-elektrische sensor verbindt heeft ook invloed op de kalibratie. De laadversterker wordt dus meestal heel dicht bij de sensor geplaatst.

Dus in een piëzo-elektrische transducer wordt, wanneer mechanische spanning wordt uitgeoefend, een proportionele elektrische spanning gegenereerd die wordt versterkt met behulp van een ladingsversterker en wordt gebruikt voor kalibratie van de uitgeoefende spanning.

Piezo-elektrische ultrasone transducer

De ultrasone piëzo-elektrische transducer werkt volgens het principe van het omgekeerde piëzo-elektrisch effect . In dit effect, wanneer elektriciteit wordt toegepast op een piëzo-elektrisch materiaal, ondergaat het fysieke vervormingen die evenredig zijn met de aangebrachte lading. Het circuit van de ultrasone transducer wordt hieronder gegeven.

Ultrasoon piëzo-elektrisch Transducer

Hier, het kwartskristal wordt geplaatst tussen twee metalen platen A en B die zijn aangesloten op de primaire L3 van de transformator. De primaire van de transformator is inductief gekoppeld met de elektronische oscillator . De spoelen L1 en L2, die secundair van de transformator vormen, zijn verbonden met de elektronische oscillator.

Als de batterij AAN staat, produceert de oscillator hoogfrequente wisselspanningspulsen met een frequentie f=1÷(2π√L1C1). Hierdoor wordt een emf geïnduceerd in L3 die via platen A en B naar het kwartskristal wordt overgebracht. Door het omgekeerde piëzo-elektrische effect begint het kristal afwisselend samen te trekken en uit te zetten, waardoor mechanische trillingen worden gecreëerd.

Resonantie vindt plaats wanneer de frequentie van de elektronische oscillator gelijk is aan de natuurlijke frequentie van het kwarts. Op dit punt produceert kwarts longitudinale ultrasone golven van grote amplitude.

Piëzo-elektrische transducertoepassingen

  • Omdat piëzo-elektrische materialen geen statische waarden kunnen meten, worden deze voornamelijk gebruikt voor het meten van oppervlakteruwheid, in versnellingsmeters en als trillingsopnemer.
  • Ze worden gebruikt in seismografen om trillingen in raketten te meten.
  • In rekstrookjes om kracht, spanning, trillingen enz. te meten…
  • Gebruikt door de auto-industrie om ontploffingen in motoren te meten.
  • Deze worden gebruikt in ultrasone beeldvorming in medische toepassingen.

Voordelen en beperkingen van piëzo-elektrische transducers

De voordelen en beperkingen van piëzo-elektrische omvormers zijn de volgende.

Voordelen

  • Dit zijn actieve transducers, d.w.z. ze hebben geen externe voeding nodig om te werken en zijn daarom zelfgenererend.
  • De hoogfrequente respons van deze transducers maakt een goede keuze voor verschillende toepassingen.

Beperkingen

  • Temperatuur- en omgevingsomstandigheden kunnen het gedrag van de transducer beïnvloeden.
  • Ze kunnen alleen veranderende druk meten en daarom zijn ze nutteloos bij het meten van statische parameters.

Dit gaat dus allemaal over piëzo-elektrische transducer, werkingsprincipe, formule, circuit met werking, voordelen, beperkingen en ook toepassingen. Uit de bovenstaande informatie zijn er verschillende toepassingen van piëzo-elektrische transducer zoals we hebben besproken. Voor welke toepassing heeft u de piëzo-elektrische transducer gebruikt? Hoe was je ervaring?


Sensor

  1. Wat is de werking van een afstandssensor en zijn toepassingen
  2. Wat is AD8232 ECG-sensor:werken en zijn toepassingen
  3. Wat is de HC-SR04 ultrasone sensor:werking en zijn toepassingen
  4. Bloeddruksensor – werkt en zijn toepassingen
  5. Werking van de spanningssensor en zijn toepassingen
  6. RVG-sensor – werkingsprincipe en zijn toepassingen
  7. Lambdasensor – werking en toepassingen
  8. Beeldsensorwerking en zijn toepassingen
  9. Kleursensor – Werking en toepassingen
  10. VL53L0X:pinconfiguratie, schakelschema en toepassingen
  11. Wat is een IR-sensor:schakelschema en zijn werking