Ezek az átalakítók a generátorok egy alcsoportjába tartoznak, mechanikusan felhalmozott elektromos töltéseken alapulnak. Ennek eredményeként a következő összefüggést különböztetjük meg: Q=d P. Ebben az esetben d a piezoelektromos modulus, P pedig az erő. Az anyag általában kvarc, turmalin, lágyító keverékek, bárium, ólom. A piezoelektromos jelátalakító tervezéséhez terhelési mintákat kell használni: összenyomás, hajlítás, nyírás, feszítés.
Közvetlen és fordított piezoelektromos hatás
A közvetlen hatást a következők jellemzik: a felhasznált kristályos anyag meghatározott sorrendben elhelyezkedő töltött ionok hatására rácsot képez. A folyamat során különböző részecskék váltakoznak és kompenzálják egymást, ami elektromos semlegességet eredményez. A kristályok jellemzői a következők:
- szimmetria a tengelyhez képest;
- az előző nézetet figyelembe véve egy rács jelenik meg ionokkal, amelyek váltakoznak és kompenzálnak.
Ha a folyamatban használt anyagot az Fx erőre irányítjuk, akkordeformálódik, a pozitív és negatív töltések távolsága megváltozik, és az irány az adott tengelyben villamosodik. Mindezt a q=d11Fx képlet fejezi ki, és arányos az erővel. Az együttható az anyaghoz és annak állapotához kapcsolódik, neve van - piezoelektromos modul. Az indexeket az erő és az él határozza meg, de ha irányt változtat, a hatás más lesz.
A piezoelektromos átalakító a közvetlen folyamatban külső erők hatására villamosítja a kristályokat. Ez a hatás villanyszerelő anyagok hatására jelentkezik. Mérőműszerek készítéséhez kvarckristályokra lesz szüksége. Vagyis a piezoelektromos jelátalakító működési elve a következő: közvetlen hatás esetén a működést a mechanika hajtja végre, fordítva pedig a kristályok deformálódnak.
További piezoeffektusok
A kristály polarizálható, ha a lemezt az X, Y tengelyekre ható erők érik Fy – keresztirányú, Fz nem merül fel díj. A kvarckristály három koordinátatengelyen helyezkedik el. A piezoelektromos átalakítók használatához le kell vágni egy lemezt, amely jelzi a hatást. A következő leírással rendelkezik:
- nagy szilárdságú;
- 10-ig megengedett feszültség 8 N/m2, így nagy mérhető erők lehetségesek;
- merevség és rugalmasság;
- minimális belső súrlódás;
- stabilitás,ami nem változik;
- A gyártott anyag maximális minőségi tényezője.
A kvarclemezeket csak nyomást és erőt mérő átalakítókban használják. Az anyag keménysége miatt nehezen feldolgozható, így egyszerű forma jön létre belőle. A modulus állandó hőmérsékleten állandó. Ha növekszik, akkor ebben az esetben a modul csökkenése következik be. A piezoelektromos tulajdonságok 573 Celsius fokon eltűnnek.
A készülék és a mérőáramkörök leírása
A piezoelektromos nyomásátalakító szerkezete a következő:
- membrán, amely a tok alja;
- a külső bélés földelt, a középső kvarccal szigetelt;
- a lemezek nagy ellenállásúak, párhuzamosan kapcsolva;
- a fólia és a kábel belső magja egy fedéllel lezárt lyukba van rögzítve.
A kimeneti teljesítmény minimális, ebből a szempontból egy nagy ellenállású erősítő biztosított. Lényegében a feszültség a bemeneti áramkör kapacitásától függ. A jelátalakító jellemzői az érzékenységet és a kapacitást jelzik. Alapvetően ez a töltés és a készülék saját mutatói. Ha összesen számoljuk, akkor a következő kimeneti teljesítményt kapjuk: Sq =q/F vagy Uxx=d11 F/Co.
A frekvenciatartomány bővítéséhez a mért alacsony változókat állandó időkör felé kell növelni. Ezt könnyű megtenni bekapcsolássalkondenzátorok, amelyek párhuzamosan helyezkednek el a készülékkel. Ebben az esetben azonban a kimeneti feszültség csökken. A megnövelt ellenállás az érzékenység elvesztése nélkül bővíti a tartományt. De ennek növeléséhez jobb szigetelési tulajdonságokra és nagy ellenállású bemenettel rendelkező erősítőkre van szükség.
Mérőáramkörök leírása
A fajlagos és a felületi ellenállás meghatározza a sajátját, a kvarc fő komponense pedig magasabb, ezért a piezoelektromos jelátalakítót le kell zárni. Ennek eredményeként javul a minőség, és a felület védve van a nedvességtől és a szennyeződéstől. A szenzoros mérőáramköröket nagy ellenállású erősítőkként hozták létre, amelyek egy térhatású tranzisztoros végfokozatra és egy működőképes eszközzel ellátott, nem invertáló erősítőre épültek. A bemenet és a kimenet feszültséget kap.
Ennek az elavult piezoelektromos jelátalakítónak azonban voltak hibái:
- kimeneti feszültség és érzékenység függése az érzékelő térfogatától;
- instabil kapacitás, amely a hőmérsékleti viszonyok miatt változik.
Az erősítő feszültségét és érzékenységét a megengedett hiba határozza meg, ha a mellékelt stabil hangerőt kiegészítjük C1-val. Képlet: ys=(ΔCo + ΔCk)/(Co+Ck +C1). A transzformáció után a következőt kapjuk: S=Ubx/F. Ha az együttható növekszik, illetve ezek a változók nőnek. A mérőkör jellemzői:
- állandó idővonal;
- az R ellenállást a bemeneti erősítés, az érzékelők, kábelek leválasztása és az R3;
- A MOS tranzisztorok erősebbek, mint a terepi eszközök, de magas a zajszintjük;
- R3 stabilizálja a feszültséget, értékét a következőképpen számítjuk ki: ~ 1011 Ohm.
határozza meg
Az utolsó változót elemezve feltételezhetjük, hogy az állandó idősor a következő: t ≦ 1c. A mai készülékek feszültségerősítős piezoelektromos érzékelőket használhatnak a töltéshez.
Eszközelőnyök
A piezoelektromos jelátalakítónak a következő előnyei vannak:
- könnyű szerkezeti összeszerelés;
- méretek;
- megbízhatóság;
- mechanikai feszültség átalakítása elektromos töltetté;
- gyorsan mérhető változók.
Olyan anyag esetében, mint a kvarc, amely közel áll a test ideális állapotához, a mechanika elektromos töltéssé való átalakulása -4 és -6 közötti minimális hibával lehetséges. A nagy pontosságú technológia fejlődése azonban javította a veszteségmentes pontosság megvalósításának képességét. Ebből arra következtethetünk, hogy ezek a piezoelektromos jelátalakítók a legalkalmasabbak erők, nyomás és egyéb elemek mérésére.
A PET-gyorsítás szerkezete a következő:
- minden anyag a titán alaphoz van rögzítve;
- két egyidejűleg bekapcsolt piezoelektromos elemkvarcból;
- nagy sűrűségű tehetetlenségi tömeg a minimális méretekhez tervezve;
- jeleltávolítás sárgaréz fóliával;
- ő viszont egy forrasztott kábelhez van csatlakoztatva;
- érzékelőt az alapba csavart kupak fed le;
- a mérőeszköz tárgyon történő rögzítéséhez vágja el a cérnát.
A tömeg ellenére az érzékelő meglehetősen stabil és sűrű. 150 m/s sebességgel működik2.
Átalakítók tervezési jellemzői
Ha gyorsulásmérő érzékelőt kell gyártani, fontos, hogy a piezoérzékelő lemezeket megfelelően rögzítse az alaphoz. Ezt a műveletet forrasztással hajtják végre. A kábelnek meg kell felelnie a következő követelményeknek:
- a szigetelési ellenállásnak magasnak kell lennie;
- a képernyő a nappali mellett van;
- rezgéscsillapító;
- rugalmasság.
Azaz a kábelt nem szabad megrázni az erősítő bemeneténél. A mérőáramkör szimmetrikusan van kialakítva, hogy ne keletkezzen interferencia. Az érzékelőben a csatlakozás aszimmetrikus, a vezetékek és a tok ellenállása úgy van összekötve, hogy a külső lemezek szigetelését kapjuk. A kívánt eredmény eléréséhez a mérőt páratlan számú anyagból kell elkészíteni, amelyeket a folyamat során felhasználnak. Az elemek a központi részen lévő lyukakon és a házhoz csavarozott szigetelőkön keresztül az erősítőhöz nyomódnak.
Rezgésmérő készülékek jellemzői
A mérőeszköz érzékenységének növelése érdekében nagy modulusú piezoelektromos elemeket kell használni. Ezaz anyagot párhuzamosan sorban fektetik le, és fém tömítésekkel és lemezekkel kötik össze. Hasonló hatás elérése érdekében továbbra is használhatók a hajlításra ható anyagok. Azonban alacsony frekvenciájúak, és gyengébbek a kompressziós mechanikánál.
Az anyag lehet bimorf, általában sorba vagy párhuzamosan gyűjtik, minden a pozitív elhelyezkedésű tengelyektől függ. Általános szabály, hogy ez két lemez. Ha a semleges réteget is figyelembe vesszük, akkor a piezoelektromos elem helyett egy átlagos vastagságú fémből készült fedőréteg is használható.
A kellően lassan mozgó jelek méréséhez tegye a következőket:
- piezoelektromos jelátalakító az oszcillátorban;
- a kristály rezonanciafrekvencián van;
- amint a terhelés megtörténik, a mutatók megváltoznak.
Ma a piezogyorsulásmérők olyan fejlett eszközök, amelyek nagy frekvenciájúak, erős érzékenységgel.
Alternatív energiaforrás konvertereken keresztül
Az elektromos áram előállításának egyik híres és kimeríthetetlen eszköze a hullámenergia. Az ilyen állomásokat közvetlenül a vízi környezetbe szerelik fel. Ez a jelenség a napsugarakhoz kapcsolódik, amelyek felmelegítik a levegő tömegét, aminek következtében hullámok keletkeznek. Ennek a jelenségnek a tengelye energiaintenzitású, amelyet a szél erőssége, a légfrontok szélessége, a széllökések időtartama határoz meg.
Az érték ingadozhat sekély vízben, vagy elérheti a 100 kW-ot méterenként. A piezoelektromos hullámenergia átalakító egy bizonyos elv szerint működik. A vízszint egy hullám hatására megemelkedik, közben a levegőt kipréselik az edényből. Az áramlásokat ezután egy irányváltó turbina vezeti át. Az egység egy bizonyos irányba forog, függetlenül a hullámok mozgásától.
Ez az eszköz pozitív tulajdonságokkal rendelkezik. A konstrukció javulását a mai napig nem jósolják, mert a hatékonyság és a működési elv minden létező módon bizonyított. A technológiai fejlődés során úszóállomások is épülhetnek.
Ultrahangos piezoelektromos jelátalakító
Ezt az eszközt úgy tervezték, hogy nem igényel további beállításokat. Memória blokkal van felszerelve, ami a technikai eredményt adja. Vezérlő- és mérőeszközökre vonatkozik. Az ilyen eszközök típusban, műszaki jellemzőkben különböznek egymástól, amelyeket a tervezési és rendeltetési adatok alapján állítanak össze minimális hibával. Minden követelményt a tervezés alapján veszünk figyelembe.
Minden ilyen eszközhöz szabványos létrehozási séma tartozik: hibaérzékelő, ház, elektródák, az alaphoz erősített fő elem, mag, fólia és egyéb anyagok. Az ultrahangos piezoelektromos átalakító egy használati modell. Lehetővé teszi az adatok közvetlen fogadását a készülék alapjára telepített hang segítségével.
Piezo jelátalakító alkalmazások
EszközökA közvetlen hatást erőt, nyomást, gyorsulást mérő műszerekben alkalmazzák. Nagy a gyakoriságuk és a keménységük. A visszacsatoló készüléket ultrahangos rezgéseknél, a feszültség deformációvá alakításánál, kiegyensúlyozásnál használják. Ha mindkét hatást egyidejűleg figyelembe vesszük, akkor ez az opció olyan piezorezonátorokhoz megfelelő, amelyek az egyik típusú energiát meglehetősen gyorsan átalakítják a másiké.
Az ellenkező irányban csatlakoztatott pozitív eszközök automatikus oszcilláción működnek, és generátorokban használatosak. Alkalmazásuk kiterjedt, mivel megfelelően kialakítva nagy stabilitásúak. Gyakran több piezo rezonátort használnak a kívánt hatás eléréséhez és a megfelelő információ megszerzéséhez.
Átalakítók hátrányai
Ezeknek az eszközöknek számos pozitív vonatkozása van. Vannak azonban negatív tulajdonságaik is:
- kimeneti ellenállás - maximális;
- A mérőáramköröket és a kábeleket szigorú követelmények és irányelvek alapján kell kialakítani.
A piezoelektromos jelátalakító kiszámítása először levezeti a rezonanciafrekvencia egyenletképletét: Fp =0,24 ·c·. Lemezvastagság: h=Fp a2 / 0,24 c=35 103 25 10 -6/ 0,24 2900=1,257 10-3m. Az energiajellemzők kiszámítása a következőképpen történik: Wak =Wak.ud S=40 4,53 10-3.
