Преобразователь пьезоэлектрический: назначение и применение

Эти преобразователи относятся к подгруппе генераторных, в их основе посредством механики накапливаются электрические заряды. В результате выделяют следующую взаимосвязь: Q = d· P. В этом случае d является пьезомодулем, а P – усилием. Как правило, материалом выступает кварц, турмалин, смеси отжига, барий, свинец. Чтобы спроектировать пьезоэлектрический преобразователь, необходимо использовать схемы нагрузки: сжатие, изгиб, сдвиг, растяжение.

Прямой и обратный пьезоэффект

Для прямого эффекта характерно следующее: используемый кристаллический материал образует решетку за счет заряженных ионов, расположенных в определенном порядке. В процессе разноименные частицы чередуются и производят взаимную компенсацию, в результате получается электрическая нейтральность. Кристаллы имеют особенности, которые обозначены следующим образом:

• симметрия по отношению к оси;
• с учетом предыдущего вида проявляется решетка с ионами, которые чередуются и компенсируются.

Если используемый материал в процессе направлен на силу F_x, то он деформируется, расстояние между положительными и отрицательными зарядами меняется, и происходит электризация направления в заданной оси. Все это выражается в формуле q = d₁₁F_x и является пропорциональным для силы. Коэффициент связан с веществом и его состоянием, имеет название – пьезоэлектрический модуль. Индексы определены силой и гранью, но если изменить направление, то эффект станет иным.

Пьезоэлектрический преобразователь при прямом процессе электризует кристаллы под воздействием внешних сил. Этот эффект возникает при влиянии веществ, являющихся электриками. Чтобы изготовить измерительные приборы, понадобятся кристаллы кварца. То есть принцип действия пьезоэлектрического преобразователя следующий: при прямом эффекте воздействие осуществляется через механику, а при обратном происходит деформация кристаллов.

Дополнительные пьезоэффекты

Кристалл может поляризоваться при воздействии на пластинку сил на осях X, Y. Если действует сила F_x , то проявляется продольный эффект, а когда F_y – поперечный, при F_z зарядов не возникает. Кварцевый кристалл располагается на трех осях координат. Чтобы использовать пьезоэлектрические измерительные преобразователи, необходимо вырезать пластинку, которая укажет на эффект. Она имеет следующее описание:

• высокая прочность;
• напряжение допускается до 10⁸ Н/м², благодаря этому возможны большие измеряемые силы;
• жесткость и упругость;
• минимальное трение внутри;
• стабильность, которая не меняется;
• максимальная добротность изготовленного материала.

Кварцевые пластинки применяются только в преобразователях, которые измеряют давление и силу. С учетом твердости материал сложно обработать, поэтому из него создают простую форму. Модуль постоянен при неизменяемой температуре. Если она увеличивается, то в этом случае происходит уменьшение модуля. Пьезоэлектрические свойства исчезают при температуре в 573 градуса по Цельсию.

Описание устройства и цепей измерения

Пьезоэлектрический преобразователь давления имеет следующую структуру:

• мембрана, которая является дном корпуса;
• обкладка снаружи заземлена, а средняя изолируется кварцем;
• пластины имеют высокое сопротивление, соединены параллельно;
• фольгу и внутреннюю жилу кабеля скрепляют в отверстии, закрывающемся крышкой.

Мощность на выходе – минимальна, в связи с этим предусматривают усилитель с большим сопротивлением. По сути, напряжение зависит от емкости цепи входа. Характеристики преобразователя указывают на чувствительность и емкость. В основном это заряд и собственные показатели устройства. Если рассчитать суммарно, то получится следующая выходная мощность: S_q = q/F или U_xx = d₁₁·F/C_o.

Чтобы расширить диапазон частоты, необходимо измеряемые низкие переменные увеличить в сторону постоянной цепи времени. Подобное действие легко осуществить с помощью включения конденсаторов, которые расположены параллельно с устройством. Правда при этом напряжение выхода снизится. Сопротивление, которое было увеличено, расширит диапазон без утрат чувствительности. Но для его повышения необходимы улучшенные изоляционные качества и усилители с высокоомным входом.

Описание цепей измерения

Удельное и поверхностное сопротивления определяют собственное, причем основная составляющая для кварца выше, поэтому пьезоэлектрический преобразователь необходимо герметизировать. В результате повышаются качества, и поверхность защищается от влаги и грязи. Цепи измерения датчиков создавались как высокоомные усилители, в основе которых использовались выходной каскад на полевом транзисторе и неинвертирующий усилитель с операционным устройством. Напряжение поступает на вход и выход.

Однако в этом устаревшем пьезоэлектрическом преобразователе были недостатки:

• зависимость напряжения выхода и чувствительность по отношению к объему датчика;
• нестабильная емкость, которая меняется из-за температурных условий.

Напряжение усилителя и чувствительность определяются допустимой погрешностью, если дополнить включенный стабильный объем С₁. Формула: y_s = (ΔC_o + ΔC_k)/(C_o+C_k +C₁). После преобразования получаем: S=U_bx/F. Если коэффициент увеличивается, соответственно, и эти переменные возрастают. Для измерительной цепи характерно:

• постоянная линия времени;
• сопротивление R определено входным усилением, изоляцией датчиков, кабелей, и R₃;
• МДП-транзисторы сильнее по сравнению с полевыми устройствами, однако имеют высокий уровень шума;
• R₃ стабилизирует напряжение, его значение высчитывается как _~ 10¹¹ Ом.

Анализируя последнюю переменную, можно предположить, что постоянная линия времени следующая: t ≤ 1c. Сегодня устройства могут использовать с усилителями напряжения пьезоэлектрические датчики для заряда.

Преимущественные характеристики устройств

Пьезоэлектрический преобразователь имеет следующие достоинства:

• простота конструкционной сборки;
• габариты;
• надежность;
• преобразование напряжения механики в электрический заряд;
• переменные величины, которые можно быстро измерить.

В случае с материалом вроде кварца, который близок к идеальному состоянию тела, преобразование механики в заряд электрики возможно с минимальной погрешностью от -4 до -6. Однако развитие высокоточной техники улучшило способность реализовать точность без потерь. В результате можно прийти к выводу, что для измерителей сил, давления и прочих элементов наиболее подходящими являются эти пьезоэлектрические преобразователи.

ПЭП ускорения имеет следующую конструкцию:

• все материалы крепятся к титановому основанию;
• два одновременно включенных пьезоэлемента из кварца;
• высокоплотная инерционная масса предназначена для минимальных габаритов;
• снятие сигнала посредством латунной фольги;
• она, в свою очередь, соединена с кабелем, который припаивается;
• датчик закрыт крышкой, навинченной в основании;
• чтобы укрепить измеритель на объекте, нарезают резьбу.

Невзирая на массу, датчик достаточно стабилен и плотен. Работает в диапазоне 150 м/с².

Конструкционные особенности преобразователей

Если необходимо изготовить датчик акселерометра, то важно правильно прикрепить пьезочувствительные пластины к основанию. Это действие осуществляется паянием. Кабель должен соответствовать следующим требованиям:

• изоляционное сопротивление должно быть высоким;
• экран размещен рядом с жилой;
• антивибрационность;
• гибкость.

То есть на вход усилителя не должна производиться тряска кабеля. Измерительная цепь создается симметрично, чтобы не возникало помех. В датчике связь несимметричная, сопротивление выводов и корпуса соединено таким образом, что получается изоляция внешних пластин. Чтобы добиться нужного результата, требуется измеритель выполнить из нечетного количества материалов, которые используются в процессе. Элементы прижимаются к усилителю сквозь отверстия в центральной части и через изоляторы, которые привинчены к корпусу.

Особенности приборов, измеряющих вибрации

Чтобы увеличить чувствительность измерительного прибора, необходимо применить пьезоэлементы с высоким модулем. Этот материал укладывают параллельно в ряд и соединяют металлическими прокладками и пластинами. Для подобного эффекта еще могут применяться вещества, которые работают на изгиб. Однако они имеют низкую частоту и уступают механике сжатия.

Материал может быть биморфным, его обычно собирают последовательно или параллельно, все зависит от положительно расположенных осей. Как правило, это две пластины. Если учитывать нейтральный слой, то над ним вместо пьезоэлемента может использоваться накладка из металла со средней толщиной.

Чтобы измерить сигналы, которые двигаются достаточно медленно, необходимо сделать следующее:

• пьезопреобразователь включают в автогенератор;
• кристалл находится на резонансной частоте;
• как только произойдет нагрузка, показатели изменятся.

Сегодня пьезоакселерометры – усовершенствованные приборы, которые могут быть высокочастотными, с сильной чувствительностью.

Альтернативный источник энергии посредством преобразователей

Одним из знаменитых и неисчерпаемых средств получения электричества является энергия волн. Такие станции монтируют непосредственно в водную среду. Это явление связано с солнечными лучами, которые нагревают массу воздуха, благодаря чему возникают волны. Вал данного явления имеет энергоемкость, которая определяется по силе ветра, ширине воздушных фронтов, продолжительности порывов.

Значение может колебаться на мелководье или достигать 100 кВт на один метр. Пьезоэлектрический преобразователь энергии волн работает по определенному принципу. Уровень воды поднимается посредством волны, в процессе воздух выдавливается из сосуда. Затем потоки пропускаются реверсирующейся турбиной. Агрегат вращается по определенному направлению, вне зависимости от движения волн.

Этот аппарат имеет положительную характеристику. До сегодняшнего дня совершенствование конструкции не прогнозируется, потому что эффективность и принцип работы доказаны всеми существующими путями. В процессе технического прогресса, возможно, будут построены плавучие станции.

Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь

Этот прибор устроен таким образом, что не требует дополнительных настроек. Он снабжен блоком памяти, который выдает технический результат. Относится к контрольно-измерительным аппаратам. Подобные устройства отличаются по типу, техническим характеристикам, которые составляются на основе данных о конструкции и предназначении с минимальными погрешностями. Все требования учитываются на основе конструкции.

Для всех подобных аппаратов предусмотрена стандартная схема создания: дефектоскоп, корпус, электроды, главный элемент, который скрепляют с основанием, жила, фольга и другие материалы. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь является полезной моделью. Он позволяет получать данные непосредственно с помощью звука, установленного на основании устройства.

Области применения пьезоэлектрического преобразователя

Устройства с прямым эффектом используются в приборах, которые измеряют силу, давление, ускорение. У них высокий уровень частоты и жесткости. Аппараты с обратной связью применяют в ультразвуковых колебаниях, преобразовании напряжения в деформацию, уравновешивания. Если одновременно учитывают оба эффекта, то этот вариант подходит для пьезорезонаторов, которые преобразуют один вид энергии в другой достаточно быстро.

Положительные устройства, включенные в обратное направление, работают на автоматических колебаниях и применяются в генераторах. Область их применения обширна, так как они имеют высокую стабильность при правильном создании. Зачастую для достижения нужного эффекта и получения верных сведений используют несколько пьезорезонаторов.

Недостатки преобразователей

В данных устройствах присутствует огромное количество положительных сторон. Однако они имеют и отрицательные черты:

• сопротивление на выходе – максимальное;
• измерительные схемы и кабели должны быть созданы на основе жестких требований и рекомендаций.

Расчет пьезоэлектрического преобразователя изначально выводит формулу уравнения для резонансной частоты: F_p = 0.24 ·c·. Толщина пластины: h = F_p · a² / 0.24 · c = 35 · 10³ · 25 · 10^-6/ 0.24 · 2900 = 1.257 · 10^-3m. Энергетические характеристики высчитываются так: W_ак = W_ак.уд · S = 40 · 4.53 · 10^-3.