Ovi pretvarači pripadaju podskupini generatora, temelje se na mehanički akumuliranim električnim nabojima. Kao rezultat, razlikuje se sljedeći odnos: Q=d P. U ovom slučaju, d je piezoelektrični modul, a P je sila. U pravilu je materijal kvarc, turmalin, smjese za žarenje, barij, olovo. Za projektiranje piezoelektričnog pretvarača potrebno je koristiti obrasce opterećenja: kompresiju, savijanje, smicanje, napetost.
Izravni i obrnuti piezoelektrični efekt
Izravni učinak karakterizira sljedeće: korišteni kristalni materijal tvori rešetku zbog nabijenih iona raspoređenih određenim redoslijedom. U tom procesu se različite čestice izmjenjuju i međusobno kompenziraju, što rezultira električnom neutralnošću. Kristali imaju značajke koje su naznačene na sljedeći način:
- simetrija u odnosu na os;
- s obzirom na prethodni prikaz, pojavljuje se rešetka s ionima koji se izmjenjuju i kompenziraju.
Ako je materijal korišten u procesu usmjeren na silu Fx, tada jese deformira, mijenja se udaljenost između pozitivnog i negativnog naboja, a smjer u zadanoj osi se naelektrizira. Sve je to izraženo u formuli q=d11Fx i proporcionalno je sili. Koeficijent je povezan s tvari i njenim stanjem, ima ime - piezoelektrični modul. Indeksi su određeni snagom i rubom, ali ako promijenite smjer, učinak će biti drugačiji.
Piezoelektrični pretvarač u izravnom procesu naelektrizira kristale pod utjecajem vanjskih sila. Ovaj učinak nastaje pod utjecajem tvari koje su električari. Za izradu mjernih instrumenata trebat će vam kristali kvarca. Odnosno, princip rada piezoelektričnog pretvarača je sljedeći: s izravnim učinkom, djelovanje se provodi kroz mehaniku, a s obrnutom, kristali se deformiraju.
Dodatni piezo efekti
Kristal se može polarizirati kada je ploča izložena silama na osi X, Y. Fy – poprečno, s Fz ne nastaju troškovi. Kristal kvarca nalazi se na tri koordinatne osi. Za korištenje piezoelektričnih pretvarača potrebno je izrezati ploču koja označava učinak. Ima sljedeći opis:
- visoka čvrstoća;
- napon dopušten do 108 N/m2, stoga su moguće velike mjerljive sile;
- krutost i elastičnost;
- minimalno trenje unutar;
- stabilnost,koji se ne mijenja;
- Maksimalni faktor kvalitete izrađenog materijala.
Kvarcne ploče se koriste samo u pretvaračima koji mjere pritisak i silu. S obzirom na tvrdoću materijala, teško ga je obraditi 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 stupnja Celzijusa.
Opis uređaja i mjernih krugova
Piezoelektrični pretvarač tlaka ima sljedeću strukturu:
- membrana, koja je donji dio kućišta;
- vanjska obloga je uzemljena, a srednja je izolirana kvarcom;
- ploče imaju visok otpor, spojene paralelno;
- folija i unutarnja jezgra kabela pričvršćeni su u rupu zatvorenu poklopcem.
Izlazna snaga je minimalna, s tim u vezi, osigurano je pojačalo s velikim otporom. U osnovi, napon ovisi o kapacitetu ulaznog kruga. Karakteristike pretvarača ukazuju na osjetljivost i kapacitet. U osnovi, ovo su pokazatelji 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 raspona, potrebno je povećati izmjerene niske varijable prema stalnom vremenskom krugu. To je lako učiniti uključivanjemkondenzatori koji se nalaze paralelno s uređajem. U ovom slučaju, međutim, izlazni napon će se smanjiti. Povećani otpor će proširiti raspon bez gubitka osjetljivosti. Ali da bi se to povećalo, potrebne su poboljšane izolacijske kvalitete i pojačala s visokootpornim ulazom.
Opis mjernih krugova
Specifični i površinski otpor određuju sami, a glavna komponenta za kvarc je veća, pa piezoelektrični pretvarač mora biti zapečaćen. Kao rezultat, kvaliteta se poboljšava, a površina je zaštićena od vlage i prljavštine. Senzorski mjerni krugovi izrađeni su kao pojačala visokog otpora, koja su se temeljila na izlaznom stupnju tranzistora s efektom polja i neinvertirajućem pojačalu s 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 volumen senzora;
- nestabilan kapacitet koji se mijenja zbog temperaturnih uvjeta.
Napon pojačala i osjetljivost određuju se dopuštenom greškom, ako se uključena stabilna glasnoća dopuni sa C1. Formula: ys=(ΔCo + ΔCk)/(Co+Ck +C1). Nakon transformacije dobivamo: S=Ubx/F. Ako se koeficijent povećava, odnosno povećavaju se te varijable. Mjerni krug karakterizira:
- stalna vremenska crta;
- otpor R je određen ulaznim pojačanjem, izolacijom senzora, kabela i R3;
- MOS tranzistori su jači od terenskih uređaja, ali imaju visoku razinu 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 s naponskim pojačalima za punjenje.
Prednosti uređaja
Piezoelektrični pretvarač ima sljedeće prednosti:
- jednostavna konstrukcijska montaža;
- dimenzije;
- pouzdanost;
- pretvorba 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 s minimalnom pogreškom od -4 do -6. Međutim, razvoj visoke precizne tehnologije poboljšao je sposobnost ostvarivanja točnosti bez gubitaka. Kao rezultat, možemo zaključiti da su ovi piezoelektrični pretvarači najprikladniji za mjerenje sila, tlaka i drugih elemenata.
PET ubrzanje ima sljedeću strukturu:
- svi materijali su pričvršćeni na bazu od titana;
- dva su istovremeno uključila piezoelektrične elementeod kvarca;
- inercijska masa visoke gustoće dizajnirana za minimalne dimenzije;
- uklanjanje signala mjedenom folijom;
- ona je pak spojena na kabel koji je zalemljen;
- senzor prekriven poklopcem uvrnutim u bazu;
- za fiksiranje mjerača na objekt, odrežite konac.
Unatoč masi, senzor je prilično stabilan i gust. Radi pri 150 m/s2.
Dizajn značajke pretvarača
Ako je potrebno izraditi senzor akcelerometra, važno je pravilno pričvrstiti piezo senzorske ploče na bazu. Ova se radnja provodi lemljenjem. Kabel mora ispunjavati sljedeće zahtjeve:
- otpor izolacije treba biti visok;
- zaslon je postavljen pored dnevne sobe;
- anti-vibracija;
- fleksibilnost.
Odnosno, kabel se ne smije tresti na ulazu pojačala. Mjerni krug je stvoren simetrično tako da ne dolazi do smetnji. U senzoru je spoj asimetričan, otpor vodova i kućište spojeni su 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 središnjem dijelu i kroz izolatore koji su pričvršćeni na kućište.
Značajke uređaja za mjerenje vibracija
Za povećanje osjetljivosti mjernog uređaja potrebno je koristiti piezoelektrične elemente visokog modula. Ovajmaterijal se polaže paralelno u nizu i povezuje metalnim brtvama i pločama. Za sličan učinak još se mogu koristiti tvari koje djeluju na savijanje. Međutim, oni su niske frekvencije i inferiorni u odnosu na mehaniku kompresije.
Materijal može biti bimorfan, obično se skuplja serijski ili paralelno, sve ovisi o pozitivno lociranim osovinama. U pravilu su to dvije ploče. Ako se uzme u obzir neutralni sloj, umjesto piezoelektričnog elementa može se koristiti metalni sloj prosječne debljine.
Za mjerenje signala 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, s jakom osjetljivošću.
Alternativni izvor energije putem pretvarača
Jedno od poznatih i neiscrpnih sredstava za proizvodnju električne energije je energija valova. Takve se stanice montiraju izravno u vodeni okoliš. Ovaj fenomen je povezan sa sunčevim zrakama, koje zagrijavaju masu zraka, zbog čega nastaju valovi. Osovina 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 valova radi prema određenom principu. Razina vode raste uz pomoć vala, pri čemu se zrak istiskuje iz posude. Protoci 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 učinkovitost 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 dodatne postavke. Opremljen je memorijskim blokom, koji daje tehnički rezultat. Odnosi se na kontrolne i mjerne uređaje. Takvi se uređaji razlikuju po vrsti, tehničkim karakteristikama, koji se sastavljaju na temelju podataka o dizajnu i namjeni uz minimalne pogreške. Svi zahtjevi se uzimaju u obzir na temelju dizajna.
Za sve takve uređaje predviđena je standardna shema izrade: detektor mana, kućište, elektrode, glavni element koji se pričvršćuje na bazu, jezgra, folija i drugi materijali. Ultrazvučni piezoelektrični pretvarač je korisni model. Omogućuje vam izravno primanje podataka pomoću zvuka instaliranog na bazi uređaja.
Primjene piezo sonde
Uređaji saizravni učinak koriste se u instrumentima koji mjere silu, pritisak, ubrzanje. Imaju visoku razinu učestalosti i grubosti. Aparat s povratnom spregom koristi se u ultrazvučnim vibracijama, pretvaranju naprezanja u deformaciju, balansiranju. Ako se oba učinka uzmu u obzir istovremeno, onda je ova opcija prikladna za piezorezonatore koji vrlo brzo pretvaraju jednu vrstu energije u drugu.
Pozitivni uređaji, spojeni u suprotnom smjeru, rade na automatskim oscilacijama i koriste se u generatorima. Opseg njihove primjene je opsežan, jer imaju visoku stabilnost kada su pravilno izrađeni. Često se koristi nekoliko piezo rezonatora za postizanje željenog učinka i dobivanje točnih informacija.
Nedostaci pretvarača
Ovi uređaji imaju ogroman broj pozitivnih aspekata. Međutim, oni također imaju negativne značajke:
- izlazni otpor - maksimalni;
- mjerni krugovi i kablovi moraju biti izrađeni na temelju strogih zahtjeva i smjernica.
Proračun piezoelektričnog pretvarača u početku izvodi formulu jednadžbe 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 izračunavaju se na sljedeći način: Wak =Wak.ud S=40 4,53 10-3.
