این مبدل ها متعلق به زیر گروهی از ژنراتورها هستند، آنها بر اساس بارهای الکتریکی انباشته شده مکانیکی هستند. در نتیجه، رابطه زیر متمایز می شود: Q=d P. در این مورد، d مدول پیزوالکتریک و P نیرو است. به عنوان یک قاعده، مواد کوارتز، تورمالین، مخلوط های آنیلینگ، باریم، سرب است. برای طراحی یک مبدل پیزوالکتریک، لازم است از الگوهای بار استفاده شود: فشار، خمش، برش، کشش.
اثر پیزوالکتریک مستقیم و معکوس
اثر مستقیم با موارد زیر مشخص می شود: مواد کریستالی مورد استفاده به دلیل یون های باردار که به ترتیب خاصی چیده شده اند، یک شبکه تشکیل می دهد. در این فرآیند، ذرات غیرمشابه متناوب می شوند و متقابلاً جبران می کنند، که منجر به خنثی شدن الکتریکی می شود. کریستال ها دارای ویژگی هایی هستند که به شرح زیر نشان داده شده است:
- تقارن نسبت به محور؛
- با توجه به نمای قبلی، شبکه ای با یون هایی ظاهر می شود که متناوب و جبران می شوند.
اگر ماده مورد استفاده در فرآیند به نیروی Fx هدایت شود، آنگاهتغییر شکل داده می شود، فاصله بین بارهای مثبت و منفی تغییر می کند و جهت در محور داده شده برق می گیرد. همه اینها در فرمول q=d11Fx بیان می شود و متناسب با نیرو است. ضریب مربوط به ماده و حالت آن است، نامی دارد - ماژول پیزوالکتریک. شاخص ها با قدرت و لبه تعیین می شوند، اما اگر جهت را تغییر دهید، تأثیر متفاوت خواهد بود.
مبدل پیزوالکتریک در فرآیند مستقیم، کریستال ها را تحت تأثیر نیروهای خارجی برق می دهد. این اثر تحت تأثیر موادی رخ می دهد که برقکار هستند. برای ساخت وسایل اندازه گیری به کریستال های کوارتز نیاز دارید. یعنی اصل کار مبدل پیزوالکتریک به این صورت است: با اثر مستقیم، عمل از طریق مکانیک انجام می شود و با معکوس، کریستال ها تغییر شکل می دهند.
افکت های پیزو اضافی
کریستال را می توان قطبی کرد زمانی که صفحه در معرض نیروهایی بر محورهای X، Y قرار می گیرد. Fy - عرضی، با Fz هیچ هزینه ای وجود ندارد. کریستال کوارتز بر روی سه محور مختصات قرار دارد. برای استفاده از مبدل های پیزوالکتریک، لازم است صفحه ای را که نشان دهنده اثر است برش دهید. این توضیحات زیر را دارد:
- استحکام بالا؛
- ولتاژ مجاز تا 108 N/m2، بنابراین نیروهای قابل اندازه گیری بزرگ ممکن است؛
- سفتی و کشسانی؛
- حداقل اصطکاک داخل؛
- ثبات،که تغییر نمی کند؛
- حداکثر ضریب کیفیت مواد ساخته شده.
صفحات کوارتز فقط در مبدل هایی که فشار و نیرو را اندازه گیری می کنند استفاده می شود. با توجه به سختی مواد، پردازش آن دشوار است، بنابراین یک شکل ساده از آن ایجاد می شود. مدول در دمای ثابت ثابت است. اگر افزایش یابد، در این حالت ماژول کاهش می یابد. خواص پیزوالکتریک در 573 درجه سانتیگراد ناپدید می شود.
توضیحات دستگاه و مدارهای اندازه گیری
مبدل فشار پیزوالکتریک دارای ساختار زیر است:
- غشاء، که پایین کیس است؛
- آستر بیرونی زمین است و قسمت میانی با کوارتز عایق شده است؛
- مقاومت بالایی دارند، به صورت موازی متصل می شوند؛
- فویل و هسته داخلی کابل در یک سوراخ بسته شده توسط یک درب بسته می شوند.
صفحات
توان خروجی حداقل است، در این راستا، یک تقویت کننده با مقاومت بزرگ ارائه شده است. اساساً ولتاژ به ظرفیت مدار ورودی بستگی دارد. مشخصات مبدل نشان دهنده حساسیت و ظرفیت خازنی است. اساساً این نشانگر شارژ و خود دستگاه است. اگر در مجموع محاسبه شود، توان خروجی زیر به دست می آید: Sq =q/F یا Uxx=d11 F/Co.
برای گسترش دامنه فرکانس، لازم است متغیرهای پایین اندازه گیری شده را به سمت یک مدار زمانی ثابت افزایش دهید. انجام این کار با روشن کردن آسان استخازن هایی که به موازات دستگاه قرار دارند. اما در این حالت ولتاژ خروجی کاهش می یابد. مقاومتی که افزایش یافته است، دامنه را بدون از دست دادن حساسیت گسترش می دهد. اما برای افزایش آن، کیفیت جداسازی بهبود یافته و تقویت‌کننده‌هایی با ورودی با مقاومت بالا مورد نیاز است.
شرح مدارهای اندازه گیری
مقاومت خاص و سطحی خود را تعیین می کند و جزء اصلی کوارتز بالاتر است، بنابراین مبدل پیزوالکتریک باید آب بندی شود. در نتیجه کیفیت بهبود یافته و سطح از رطوبت و کثیفی محافظت می شود. مدارهای اندازه‌گیری حسگر به‌عنوان تقویت‌کننده‌های با مقاومت بالا ایجاد شدند که بر پایه یک مرحله خروجی ترانزیستور اثر میدانی و یک تقویت‌کننده غیر معکوس با یک دستگاه عملیاتی بودند. ولتاژ به ورودی و خروجی تامین می شود.
با این حال، این مبدل پیزوالکتریک قدیمی نقص هایی داشت:
- وابستگی ولتاژ خروجی و حساسیت نسبت به حجم سنسور؛
- ظرفیت ناپایدار که به دلیل شرایط دما تغییر می کند.
ولتاژ تقویت کننده و حساسیت با خطای مجاز تعیین می شود، اگر حجم پایدار موجود با C1 تکمیل شود. فرمول: ys=(ΔCo + ΔCk)/(Co+Ck +C۱). پس از تبدیل، به دست می آوریم: S=Ubx/F. اگر ضریب به ترتیب افزایش یابد و این متغیرها افزایش یابد. مدار اندازه گیری با:
مشخص می شود
- جدول زمانی ثابت؛
- مقاومت R با بهره ورودی، جداسازی حسگرها، کابل‌ها و R3;
- ترانزیستورهای MOS قوی تر از دستگاه های میدانی هستند اما سطح نویز بالایی دارند؛
- R3 ولتاژ را تثبیت می کند، مقدار آن به صورت ~ 1011 اهم محاسبه می شود.
تعیین می‌شود.
با تجزیه و تحلیل آخرین متغیر، می توانیم فرض کنیم که خط زمانی ثابت به صورت زیر است: t ≦ 1c. امروزه دستگاه‌ها می‌توانند از حسگرهای پیزوالکتریک با تقویت‌کننده‌های ولتاژ برای شارژ استفاده کنند.
مزایای دستگاه
مبدل پیزوالکتریک دارای مزایای زیر است:
- مونتاژ سازه آسان؛
- ابعاد;
- قابلیت اطمینان؛
- تبدیل ولتاژ مکانیکی به بار الکتریکی؛
- متغیرهایی که می توان به سرعت اندازه گیری کرد.
در مورد ماده ای مانند کوارتز که نزدیک به حالت ایده آل بدن است، تبدیل مکانیک به بار الکتریکی با حداقل خطای 4- تا 6- امکان پذیر است. با این حال، توسعه فناوری با دقت بالا توانایی درک دقت بدون تلفات را بهبود بخشیده است. در نتیجه، می‌توان نتیجه گرفت که این مبدل‌های پیزوالکتریک برای اندازه‌گیری نیرو، فشار و سایر عناصر مناسب‌ترین هستند.
شتاب PET دارای ساختار زیر است:
- همه مواد به پایه تیتانیوم متصل می شوند؛
- دو عنصر پیزوالکتریک به طور همزمان روشن می شونداز کوارتز؛
- جرم اینرسی با چگالی بالا طراحی شده برای حداقل ابعاد؛
- حذف سیگنال با فویل برنجی؛
- او نیز به نوبه خود به کابلی متصل است که لحیم شده است؛
- حسگر پوشیده شده توسط یک کلاهک پیچ شده در پایه؛
- برای ثابت کردن متر روی جسم، نخ را ببرید.
با وجود جرم، سنسور کاملاً پایدار و متراکم است. با سرعت 150 متر بر ثانیه کار می کند2.
ویژگی های طراحی مبدل
در صورت نیاز به ساخت سنسور شتاب سنج، اتصال صحیح صفحات پیزوسنگر به پایه مهم است. این عمل با لحیم کاری انجام می شود. کابل باید شرایط زیر را داشته باشد:
- مقاومت عایق باید بالا باشد؛
- صفحه نمایش در کنار اتاق نشیمن قرار می گیرد؛
- ضد لرزش؛
- انعطاف پذیری.
یعنی کابل در ورودی آمپلی فایر تکان نخورد. مدار اندازه گیری به صورت متقارن ایجاد می شود تا تداخلی ایجاد نشود. در سنسور، اتصال نامتقارن است، مقاومت لیدها و کیس به گونه ای متصل می شود که عایق صفحات بیرونی به دست می آید. برای دستیابی به نتیجه مطلوب، متر باید از تعداد فرد موادی که در فرآیند استفاده می شود ساخته شود. المان‌ها از طریق سوراخ‌هایی در قسمت مرکزی و از طریق عایق‌هایی که به کیس پیچ می‌شوند، به تقویت‌کننده فشار داده می‌شوند.
ویژگی های دستگاه های اندازه گیری ارتعاش
برای افزایش حساسیت دستگاه اندازه گیری، استفاده از المان های پیزوالکتریک با مدول بالا ضروری است. اینمواد به صورت موازی در یک ردیف گذاشته شده و با واشر و صفحات فلزی متصل می شوند. برای اثر مشابه، موادی که روی خم شدن کار می کنند هنوز هم می توانند استفاده شوند. با این حال، آنها فرکانس پایین و پایین تر از مکانیک فشرده سازی هستند.
مواد می تواند دو شکل باشد، معمولاً به صورت سری یا موازی جمع آوری می شود، همه اینها به محورهای مثبت بستگی دارد. به عنوان یک قاعده، این دو صفحه هستند. اگر لایه خنثی در نظر گرفته شود، می توان از روکش فلزی با ضخامت متوسط به جای عنصر پیزوالکتریک استفاده کرد.
برای اندازه گیری سیگنال هایی که به اندازه کافی آهسته حرکت می کنند، موارد زیر را انجام دهید:
- مبدل پیزوالکتریک موجود در نوسانگر؛
- کریستال در فرکانس رزونانس است؛
- به محض اینکه بار رخ می دهد، نشانگرها تغییر می کنند.
امروزه شتاب‌سنج‌های پیزو دستگاه‌های پیشرفته‌ای هستند که می‌توانند فرکانس بالا و حساسیت قوی داشته باشند.
منبع انرژی جایگزین از طریق مبدل
یکی از ابزارهای معروف و تمام نشدنی تولید برق، انرژی امواج است. چنین ایستگاه هایی مستقیماً در محیط آبی نصب می شوند. این پدیده با پرتوهای خورشید مرتبط است که توده هوا را گرم می کند و به دلیل آن امواج ایجاد می شود. شفت این پدیده دارای شدت انرژی است که با شدت باد، عرض جبهه‌های هوا، مدت زمان تندبادها تعیین می‌شود.
مقدار ممکن است در آب کم عمق نوسان داشته باشد یا به 100 کیلو وات بر متر برسد.مبدل انرژی موج پیزوالکتریک طبق یک اصل خاص کار می کند. سطح آب با استفاده از یک موج بالا می رود، در این فرآیند هوا از ظرف فشرده می شود. سپس جریان ها توسط یک توربین معکوس عبور می کنند. واحد بدون توجه به حرکت امواج در جهت خاصی می چرخد.
این دستگاه یک ویژگی مثبت دارد. تا به امروز، بهبود طراحی پیش بینی نشده است، زیرا کارایی و اصل عملکرد به تمام روش های موجود ثابت شده است. در روند پیشرفت فناوری، ایستگاه‌های شناور ممکن است ساخته شوند.
مبدل پیزوالکتریک اولتراسونیک
این دستگاه به گونه ای طراحی شده است که نیازی به تنظیمات اضافی ندارد. مجهز به بلوک حافظه است که نتیجه فنی را می دهد. به دستگاه های کنترل و اندازه گیری اشاره دارد. چنین دستگاه هایی از نظر نوع، مشخصات فنی متفاوت هستند که بر اساس داده های طراحی و هدف با حداقل خطا جمع آوری می شوند. همه الزامات بر اساس طراحی در نظر گرفته شده است.
برای همه چنین دستگاه هایی، یک طرح ایجاد استاندارد ارائه شده است: یک آشکارساز نقص، یک محفظه، الکترودها، عنصر اصلی که به پایه چسبانده شده است، یک هسته، فویل و مواد دیگر. مبدل پیزوالکتریک اولتراسونیک یک مدل کاربردی است. این به شما امکان می دهد با استفاده از صدای نصب شده روی پایه دستگاه، داده ها را مستقیماً دریافت کنید.
کاربردهای مبدل پیزو
دستگاه‌هایی بااثر مستقیم در ابزار اندازه گیری نیرو، فشار، شتاب استفاده می شود. فرکانس و سختی بالایی دارند. دستگاه با بازخورد در ارتعاشات اولتراسونیک، تبدیل تنش به تغییر شکل، متعادل کردن استفاده می شود. اگر هر دو اثر همزمان در نظر گرفته شوند، این گزینه برای پیزورزوناتورهایی مناسب است که یک نوع انرژی را نسبتاً سریع به دیگری تبدیل می کنند.
دستگاه های مثبت که در جهت مخالف متصل می شوند، بر روی نوسانات اتوماتیک کار می کنند و در ژنراتورها استفاده می شوند. دامنه کاربرد آنها گسترده است، زیرا هنگامی که به درستی ایجاد شوند، پایداری بالایی دارند. اغلب، چندین تشدید کننده پیزو برای رسیدن به اثر مورد نظر و به دست آوردن اطلاعات صحیح استفاده می شود.
معایب مبدل
این دستگاه ها دارای تعداد زیادی جنبه مثبت هستند. با این حال، آنها ویژگی های منفی نیز دارند:
- مقاومت خروجی - حداکثر؛
- مدارهای اندازه گیری و کابل ها باید بر اساس الزامات و دستورالعمل های دقیق ایجاد شوند.
محاسبه مبدل پیزوالکتریک در ابتدا فرمول معادله فرکانس تشدید را به دست می آورد: Fp =0.24 ·c·. ضخامت صفحه: h=Fp a2 / 0.24 c=35 103 25 10 -6/ 0.24 2900=1.257 10-3m. مشخصات انرژی به شرح زیر محاسبه می شود: Wak =Wak.ud S=40 4.53 10-3.
