Šie keitikliai priklauso generatorių pogrupiui, jie yra pagrįsti mechaniškai sukauptais elektros krūviais. Dėl to išskiriamas toks ryšys: Q=d P. Šiuo atveju d – pjezoelektrinis modulis, o P – jėga. Paprastai medžiaga yra kvarcas, turmalinas, atkaitinimo mišiniai, baris, švinas. Norint sukurti pjezoelektrinį keitiklį, būtina naudoti apkrovos modelius: suspaudimą, lenkimą, šlytį, įtempimą.
Tiesioginis ir atvirkštinis pjezoelektrinis efektas
Tiesioginis poveikis apibūdinamas taip: naudojama kristalinė medžiaga sudaro gardelę dėl tam tikra tvarka išsidėsčiusių įkrautų jonų. Šio proceso metu skirtingos dalelės keičiasi ir kompensuoja viena kitą, todėl susidaro elektrinis neutralumas. Kristalai turi savybių, kurios nurodytos taip:
- simetrija ašies atžvilgiu;
- atsižvelgiant į ankstesnį vaizdą, atsiranda gardelė su jonais, kurie keičiasi ir kompensuoja.
Jei procese naudojama medžiaga nukreipta į jėgą Fx, tada jideformuojasi, pasikeičia atstumas tarp teigiamų ir neigiamų krūvių, o kryptis duotoje ašyje įelektrinama. Visa tai išreiškiama formule q=d11Fx ir yra proporcinga jėgai. Koeficientas yra susijęs su medžiaga ir jos būsena, jis turi pavadinimą - pjezoelektrinis modulis. Indeksai nustatomi pagal stiprumą ir briauną, bet jei pakeisite kryptį, poveikis bus kitoks.
Pjezoelektrinis keitiklis tiesioginiame procese įelektrina kristalus veikiamas išorinių jėgų. Šis poveikis atsiranda veikiant medžiagoms, kurios yra elektrikai. Norint pagaminti matavimo prietaisus, jums reikės kvarco kristalų. Tai yra, pjezoelektrinio keitiklio veikimo principas yra toks: esant tiesioginiam poveikiui, veiksmas atliekamas per mechaniką, o atvirkščiai - kristalai deformuojasi.
Papildomi pjezo efektai
Kristalas gali būti poliarizuotas, kai plokštę veikia X, Y ašių jėgos. Fy – skersinė, su Fz jokie mokesčiai netaikomi. Kvarco kristalas yra ant trijų koordinačių ašių. Norint naudoti pjezoelektrinius keitiklius, reikia iškirpti plokštę, kuri rodo efektą. Jo aprašymas yra toks:
- didelis stiprumas;
- leistina įtampa iki 108 N/m2, todėl galimos didelės išmatuojamos jėgos;
- stangrumas ir elastingumas;
- minimali trintis viduje;
- stabilumas,kuris nesikeičia;
- Maksimalus pagamintos medžiagos kokybės koeficientas.
Kvarcinės plokštės naudojamos tik keitikliuose, kurie matuoja slėgį ir jėgą. Atsižvelgiant į medžiagos kietumą, ją sunku apdoroti, todėl iš jos sukuriama paprasta forma. Modulis yra pastovus esant pastoviai temperatūrai. Jei jis didėja, tada šiuo atveju modulis sumažėja. Pjezoelektrinės savybės išnyksta 573 laipsnių Celsijaus temperatūroje.
Įrenginio ir matavimo grandinių aprašymas
Pjezoelektrinis slėgio keitiklis turi tokią struktūrą:
- membrana, kuri yra korpuso apačioje;
- išorinis pamušalas įžemintas, o vidurinis izoliuotas kvarcu;
- plokštelės turi didelę varžą, jungiamos lygiagrečiai;
- folija ir vidinė kabelio šerdis yra pritvirtinta angoje, uždarytoje dangčiu.
Išėjimo galia yra minimali, todėl yra numatytas didelės varžos stiprintuvas. Iš esmės įtampa priklauso nuo įvesties grandinės talpos. Keitiklio charakteristikos rodo jautrumą ir talpą. Iš esmės tai yra įkrovos ir paties įrenginio indikatoriai. Jei apskaičiuojama iš viso, gaunama tokia išėjimo galia: Sq =q/F arba Uxx=d11 F/Co.
Norint išplėsti dažnių diapazoną, būtina padidinti išmatuotus žemus kintamuosius iki pastovaus laiko grandinės. Tai lengva padaryti įjunguskondensatoriai, esantys lygiagrečiai su įrenginiu. Tačiau šiuo atveju išėjimo įtampa sumažės. Padidintas pasipriešinimas išplės diapazoną neprarandant jautrumo. Tačiau norint jį padidinti, reikalingos geresnės izoliacijos savybės ir stiprintuvai su didelės varžos įėjimu.
Matavimo grandinių aprašymas
Specifinis ir paviršiaus atsparumas lemia savo, o pagrindinis kvarco komponentas yra didesnis, todėl pjezoelektrinis keitiklis turi būti sandarus. Dėl to pagerėja kokybė, paviršius apsaugomas nuo drėgmės ir nešvarumų. Jutiklių matavimo grandinės buvo sukurtos kaip didelės varžos stiprintuvai, kurių pagrindas buvo lauko tranzistoriaus išėjimo pakopa ir neinvertuojantis stiprintuvas su veikiančiu įrenginiu. Įtampa tiekiama į įvestį ir išėjimą.
Tačiau šis pasenęs pjezoelektrinis keitiklis turėjo trūkumų:
- išėjimo įtampos ir jautrumo priklausomybė nuo jutiklio garsumo;
- nestabili talpa, kuri kinta dėl temperatūros sąlygų.
stiprintuvo įtampą ir jautrumą lemia leistina paklaida, jei įtrauktas stabilus garsas papildytas C1. Formulė: ys=(ΔCo + ΔCk)/(Co+Ck +C1). Po transformacijos gauname: S=Ubx/F. Jei koeficientas atitinkamai didėja, ir šie kintamieji didėja. Matavimo grandinė apibūdinama:
- nuolatinė laiko juosta;
- varža R nustatoma pagal įvesties stiprinimą, jutiklių, kabelių izoliaciją ir R3;
- MOS tranzistoriai yra stipresni už lauko įrenginius, bet turi aukštą triukšmo lygį;
- R3 stabilizuoja įtampą, jos vertė apskaičiuojama kaip ~ 1011 Ohm.
Analizuodami paskutinį kintamąjį, galime daryti prielaidą, kad pastovi laiko linija yra tokia: t ≦ 1c. Šiuolaikiniai įrenginiai gali įkrauti pjezoelektrinius jutiklius su įtampos stiprintuvais.
Įrenginio pranašumai
Pjezoelektrinis keitiklis turi šiuos privalumus:
- lengvas konstrukcijų surinkimas;
- matmenys;
- patikimumas;
- mechaninės įtampos pavertimas elektros krūviu;
- kintamieji, kuriuos galima greitai išmatuoti.
Esant tokiai medžiagai kaip kvarcas, kuri yra artima idealiai kūno būklei, mechanikos pavertimas elektros krūviu įmanomas su minimalia paklaida nuo -4 iki -6. Tačiau didelio tikslumo technologijų plėtra pagerino galimybę realizuoti nenuostolingą tikslumą. Dėl to galime daryti išvadą, kad šie pjezoelektriniai keitikliai yra tinkamiausi jėgoms, slėgiui ir kitiems elementams matuoti.
PET pagreitis turi tokią struktūrą:
- visos medžiagos pritvirtintos prie titano pagrindo;
- du vienu metu įjungti pjezoelektriniai elementaiiš kvarco;
- didelio tankio inercinė masė, sukurta minimaliems matmenims;
- signalo pašalinimas žalvario folija;
- ji, savo ruožtu, yra prijungta prie kabelio, kuris yra lituojamas;
- jutiklis uždengtas dangteliu, įsuktu į pagrindą;
- Norėdami pritvirtinti skaitiklį ant objekto, nukirpkite siūlą.
Nepaisant masės, jutiklis yra gana stabilus ir tankus. Veikia 150 m/s greičiu2.
Konverterių dizaino ypatybės
Jei reikia pagaminti akselerometro jutiklį, svarbu tinkamai pritvirtinti pjezo jutiklio plokštes prie pagrindo. Šis veiksmas atliekamas litavimo būdu. Kabelis turi atitikti šiuos reikalavimus:
- izoliacijos varža turi būti didelė;
- ekranas yra šalia svetainės;
- antivibracija;
- lankstumas.
Tai yra, kabelis neturėtų būti purtomas ties stiprintuvo įvestimi. Matavimo grandinė sukurta simetriškai, kad nebūtų trukdžių. Jutiklyje jungtis asimetriška, laidų ir korpuso varža sujungta taip, kad gaunama išorinių plokščių izoliacija. Norint pasiekti norimą rezultatą, skaitiklis turi būti pagamintas iš nelyginio skaičiaus medžiagų, kurios naudojamos procese. Elementai prispaudžiami prie stiprintuvo per skylutes centrinėje dalyje ir per izoliatorius, kurie prisukami prie korpuso.
Vibracijos matavimo prietaisų ypatybės
Norint padidinti matavimo prietaiso jautrumą, būtina naudoti didelio modulio pjezoelektrinius elementus. Taimedžiaga klojama lygiagrečiai iš eilės ir sujungiama metalinėmis tarpinėmis ir plokštėmis. Siekiant panašaus poveikio, vis tiek galima naudoti lenkimą veikiančias medžiagas. Tačiau jie yra žemo dažnio ir prastesni už suspaudimo mechaniką.
Medžiaga gali būti bimorfinė, dažniausiai renkama nuosekliai arba lygiagrečiai, viskas priklauso nuo teigiamai išsidėsčiusių ašių. Paprastai tai yra dvi plokštės. Jei atsižvelgiama į neutralų sluoksnį, vietoj pjezoelektrinio elemento galima naudoti vidutinio storio metalo perdangą.
Jei norite išmatuoti pakankamai lėtai judančius signalus, atlikite šiuos veiksmus:
- pjezoelektrinis keitiklis įtrauktas į osciliatorių;
- kristalas yra rezonansinio dažnio;
- kai tik atsiranda apkrova, indikatoriai pasikeis.
Šiandien pjezo akselerometrai yra pažangūs įrenginiai, kurie gali būti aukšto dažnio ir labai jautrūs.
Alternatyvus energijos š altinis per keitiklius
Viena garsiausių ir neišsenkančių elektros energijos gamybos priemonių yra bangų energija. Tokios stotys montuojamos tiesiai vandens aplinkoje. Šis reiškinys siejamas su saulės spinduliais, kurie įkaitina oro masę, dėl to kyla bangos. Šio reiškinio velenas turi energijos intensyvumą, kurį lemia vėjo stiprumas, oro frontų plotis, gūsių trukmė.
Vertė gali svyruoti sekliame vandenyje arba siekti 100 kW vienam metrui. Pjezoelektrinės bangos energijos keitiklis veikia pagal tam tikrą principą. Vandens lygis pakyla bangos pagalba, jo metu oras išspaudžiamas iš indo. Tada srautai perduodami reversine turbina. Įrenginys sukasi tam tikra kryptimi, nepaisant bangų judėjimo.
Šis įrenginys turi teigiamų savybių. Iki šiol dizaino tobulinimas neprognozuojamas, nes efektyvumas ir veikimo principas įrodytas visais esamais būdais. Technologijų pažangos procese gali būti statomos plūduriuojančios stotys.
Ultragarsinis pjezoelektrinis keitiklis
Šis įrenginys sukurtas taip, kad jam nereikia papildomų nustatymų. Jame yra atminties blokas, kuris suteikia techninį rezultatą. Tai yra valdymo ir matavimo prietaisai. Tokie įrenginiai skiriasi rūšimi, techninėmis charakteristikomis, kurios sudaromos remiantis projektavimo ir paskirties duomenimis su minimaliomis paklaidomis. Į visus reikalavimus atsižvelgiama atsižvelgiant į dizainą.
Visiems tokiems įrenginiams pateikiama standartinė kūrimo schema: defektų detektorius, korpusas, elektrodai, pagrindinis elementas, kuris tvirtinamas prie pagrindo, šerdis, folija ir kitos medžiagos. Ultragarsinis pjezoelektrinis keitiklis yra naudingas modelis. Tai leidžia tiesiogiai gauti duomenis naudojant įrenginio pagrinde įdiegtą garsą.
Pjezo keitiklių programos
Įrenginiai sutiesioginis poveikis yra naudojami prietaisuose, kurie matuoja jėgą, slėgį, pagreitį. Jie turi aukštą dažnumo ir atšiaurumo lygį. Aparatas su grįžtamuoju ryšiu naudojamas ultragarso virpesiams, įtempių pavertimui deformacija, balansavimui. Jei vienu metu atsižvelgiama į abu efektus, ši parinktis tinka pjezorezonatoriams, kurie gana greitai paverčia vienos rūšies energiją kita.
Teigiami įrenginiai, sujungti priešinga kryptimi, veikia automatiniais virpesiais ir yra naudojami generatoriuose. Jų taikymo sritis yra plati, nes tinkamai sukurti jie pasižymi dideliu stabilumu. Dažnai norint pasiekti norimą efektą ir gauti teisingą informaciją, naudojami keli pjezo rezonatoriai.
Konverterių trūkumai
Šie įrenginiai turi daug teigiamų aspektų. Tačiau jie turi ir neigiamų savybių:
- išėjimo varža – didžiausia;
- matavimo grandinės ir kabeliai turi būti sukurti remiantis griežtais reikalavimais ir gairėmis.
Apskaičiavus pjezoelektrinį keitiklį, iš pradžių gaunama rezonansinio dažnio lygties formulė: Fp =0,24 ·c·. Plokštės storis: h=Fp a2 / 0,24 c=35 103 25 10 -6/ 0,24 2900=1,257 10-3m. Energijos charakteristikos apskaičiuojamos taip: Wak =Wak.ud S=40 4,53 10-3.
