Принцип действия пьезоэлемента: Принцип работы пьезоэлектрических резонаторов | АО Пьезо

Принцип работы пьезоэлектрических резонаторов | АО Пьезо

Опыт показывает, что проводимость пьезоэлемента в цепи переменного тока, частота которого плавно изменяется в широких пределах, возрастает с ростом частоты и линейно зависит от последней, т. е. имеет емкостный характер. Однако закономерный емкостный характер проводимости нарушается на некоторых частотах и характеризуется резким ростом проводимости, вслед за которым следует её резкое падение. В момент, когда проводимость становится максимальной, её характер изменяется — она становится активной. Активный характер проводимости наблюдается также в момент, когда она минимальна. В промежутке между максимальным и минимальным значениями проводимость имеет индуктивный характер. Эти изменения проводимости имеют типично резонансный характер.

На рисунке изображена полная проводимость пьезоэлемента (Y) в широком интервале частот (F). В точках P (резонанс) и A (антирезонанс) проводимость имеет активный характер, между этими точками — индуктивный, а на частотах ниже точки P и выше точки A — емкостной

Резонансные явления в электрической цепи пьезоэлементов обусловлены резонансами его мехапических колебаний. Резонансные колебания в твердом упругом теле наблюдаются тогда, когда частота возбуждающей силы оказывается близкой к частоте его собственных колебаний. Любой механический элемент характеризуется массой, упругостью и показателем, характеризующим необратимые энергетические потери, например трением или излучением колебаний во внешнюю среду. Известно, что механический элемент оказывает сопротивление воздействию внешней силы и в нём возникают реактивные силы (силы противодействия), обусловленные массой, упругостью, трением. Современная механика широко использует понятие механического сопротивления для решения различных механических задач, преимущественно касающихся колебаний реальных систем.

Каждый механический элемент (масса, упругость, трение) оказывает противодействие (реакцию) воздействующей на него силе, поэтому колебательная скорость их движения зависит не только от величины силы, но и от реакции механического элемента. Для твёрдых тел механическое сопротивление какого-либо элемента определяется как отношение силы к колебательной скорости. Поскольку реакции массы, упругости и трения при механических колебаниях имеют различный характер, механическое сопротивление имеет комплексный характер. В случае внешней периодической силы механическое сопротивление, определяемое массой, возрастает с частотой и равно произведению массы на круговую частоту. Механическое сопротивление, определяемое упругостью, наоборот, обратно пропорционально круговой частоте и гибкости элемента. На низких частотах реакция массы элемента незначительна и может не приниматься в расчёт, а реакция определяется его упругостью. С ростом частоты реакция упругости уменьшается, а реакция массы возрастает и, наконец, наступает момент, когда на некоторой частоте механические сопротивления массы и упругости оказываются равны и компенсируют друг друга. Формально компенсация объясняется различием знаков этих сопротивлений. Физически же компенсация объясняется тем, что на низких частотах внешняя сила преодолевает только упругие силы и смещения совпадают по фазе с внешней силой. Когда же частота внешней силы велика, ей приходится преодолевать преимущественно инерцию массы, сообщая последней ускорение. При этом фаза ускорения совпадает с фазой внешней силы, фаза же смещений оказывается противоположной фазе внешней силы (ускорение является второй производной смещений по времени). Следовательно, направления реакций массы и упругости противоположны.

Известно, что добротность Q механических колебательных систем существенно больше, чем электрических колебательных контуров, и характеризуется величинами от тысяч до сотен тысяч. Поэтому амплитуды механических колебаний пьезоэлемента при механическом резонансе в Q раз больше амплитуды его колебаний вне области резонанса. Электрические величины, характеризующие колебания пьезоэлемента, например электрический ток, связаны прямой зависимостью с механическими напряжениями и деформациями. В момент механического резонанса соответственно возрастает ток через пьезоэлемент и частотная характеристика тока приобретает резонансный характер, точно соответствующий характеристике механических резонансных колебании. Такова, в общем, картина резонансных явлений, наблюдаемых в пьезоэлектрическом резонаторе, объясняющая возникновение резонанса в электрической цепи.

Резонансные явления в электрической цепи резонатора имеют место для тех видов механических колебаний, которые возбуждаются пьезоэлектрически. Если частота внешнего электрического напряжения совпадает с частотой собственных механических колебаний, которые пьезоэлектрически не возбуждаются, то резонанса в электрической цепи наблюдаться не будет или он будет выражен очень слабо и обусловлен наличием механической связи с колебанием, возбуждаемым пьезоэлектрически. Однако при близости такого резонанса к частоте резонанса, возбуждаемого пьезоэлектрически, связь возрастает и побочный резонанс оказывается достаточно интенсивным.

Если бы потери механического или электрического происхождения в резонаторе отсутствовали, то и механические напряжения в момент резонанса достигли бы бесконечно большого значения и резонатор был бы разрушен. Однако реально механические и электрические потери всегда существуют и такого явления обычно не наблюдается. Ток в цепи резонатора при резонансе всегда имеет конечное значение и активный характер, определяемый наличием потерь.

В большинстве случаев пьезоэлементы имеют только два электрода и резонаторы с такими пьезоэлементами являются электрическими двухполюсниками. Но в ряде случаев в резонаторах используют пьезоэлемент с большим числом электродов, имеющих отдельные выводы, например с четырьмя электродами. Такие резонаторы с многоэлектродными пьезоэлементами следует рассматривать как электрические многополюсники. Резонаторы с четырехэлектродными пьезоэлементами достаточно часто используют в генераторах и фильтрах, так как они позволяют заменить два резонатора на одну частоту одним четырехполюсным, устранить нежелательные кондуктивные связи, использовать сдвиг фаз на 180° между двумя парами выводов, использовать трансформацию напряжения и преобразование сопротивления.

Принцип работы пьезоэлемента

Ценю в людях честность, открытость. Люблю мастерить разные самоделки. Нравится переводить статьи. Ведь, кроме того, что узнаешь, что то новое еще и даришь людям возможность, окунуться в мир самоделок. Знаете ли вы, что можно производить электричество при ходьбе? В данной статье описывается научный эксперимент, который наглядно демонстрирует секрет обувных стелек , с помощью которых можно заряжать USB-устройства.


Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

  • Пьезогенераторы. Устройство и работа. Особенности и применение
  • Как работает механический кнопочный пьезоэлемент (пьеза), откуда электричество для искры?
  • Пьезо что можно сделать. Генератор из пьезоэлемента
  • Установки для исследования и контроля параметров пьезоэлементов Пьезо-П
  • Пьезоэлектричество
  • Принцип работы пьезоэлектрических резонаторов

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Фонарик из зажигалки с питанием от пьезоэлемента

Пьезогенераторы. Устройство и работа. Особенности и применение


Среди множества диэлектрических материалов встречаются и такие, которые обладают так называемым пьезоэффектом. На их поверхности могут возникать электрические заряды под влиянием деформации. Существует и обратный эффект, когда диэлектрики начинают деформироваться под действием внешнего электрического поля. Пьезоэлемент сам по себе не может считаться источником электроэнергии. Он всего лишь преобразует механическую энергию в электрическую, с очень низким КПД.

Однако, благодаря своим качествам, пьезоэлементы широко используются в технике, в первую очередь, как источники электрических разрядов. Пьезоэлектрические материалы по своей сути довольно простые и характеризуются всего лишь двумя физическими величинами — диэлектрической проницаемостью и пьезоэлектрическим модулем. От первой величины зависит емкость пьезоэлемента, а от пьезоэлектрического модуля — электрический заряд, образующийся на электродах, после того как к ним была приложена какая-то сила.

В пьезокерамике для описания процесса применяется три модуля в зависимости от расположения силы, действующей по отношению к полярности оси пьезоэлемента. Наиболее выраженный эффект проявляется в модуле d 33 , в котором первая цифра индекса означает направление полярной оси вдоль оси Z традиционной системы координат, а вторая указывает на направление действующей силы вдоль этой же оси. За счет этого пьезоэлемент с величиной модуля d 33 существенно превышает значение комбинаций с другими направлениями.

Именно эта величина характеризует материал, из которого он изготовлен. Независимо от приложенной силы и размеров самого элемента, при воздействии силы в 1 ньютон, на электродах будет образовываться один и тот же заряд. Из данной формулы видно, что в отличие от заряда, напряжение будет зависеть от размеров пьезоэлемента, поскольку емкость С связана с площадью электродов и расстоянием между ними.

Если в качестве примера взять емкость обычной зажигалки, равной 40 пикофарадам пф , то приложенная сила в 1 Н даст напряжение 6 В. Соответственно, если сила увеличится до Н кг , то полученное напряжение составит уже 6 кВ. Действие пьезоэлемента наиболее четко просматривается на примере зажигалки нажимного действия. При нажатии на клавишу, зажигалка выдает целую серию искр, что свидетельствует о наиболее удачном использовании пьезогенератора в данной конструкции.

Чтобы представить себе принцип работы, рекомендуется рассмотреть схему упрощенной модели этого устройства. Она выполнена в виде опоры с рычагом, создающим большое усилие, воздействующее на пьезоэлемент. Сами элементы представляют собой сплошные цилиндрические конструкции, на торцах которых расположены электроды. Они соприкасаются друг с другом, поэтому на них воздействует одинаковая сила. Ориентация каждого пьезоэлемента между собой выполнена таким образом, чтобы электроды соприкасающихся поверхностей имели один заряд, например, положительный, а противоположные концы — заряд с другим знаком.

Порядок подключения необходимо обязательно соблюдать, особенно при изготовлении подобного устройства своими руками. Под действием рычага электроды замыкаются, и возникает электрическое параллельное соединение каждого пьезоэлемента между собой.

От точки соприкосновения выводится токовод с закругленным наконечником, расположенным от металлической основы на определенном расстоянии. Во время нажатия на рычаг воздушный промежуток между основой и наконечником пробивается электрической искрой. Теперь уже понятно, как работает такая зажигалка. При дальнейшем нажатии усилие возрастает, что приводит к появлению второй и последующей искр. Это будет происходить до тех пор, пока пьезоэлементы не разрушатся полностью.

Любой пьезоэлемент можно использовать в современных технических устройствах разного назначения. Они применяются в качестве кварцевых резонаторов, миниатюрных трансформаторов, пьезоэлектрических детонаторах, генераторах частоты с высокой стабильностью и во многих других местах. Каждый прибор устроен таким образом, что в нем может использоваться не только кристаллический кварц, но и элементы из поляризованной пьезокерамики.

Однако пьезоэлемент не ограничивается одними лишь зажигалками. В настоящее время ведутся работы по решению задачи, как сделать использование этих материалов более продуктивным. Данный принцип достаточно давно применяется на танцевальных площадках и стоянках автомобилей, где под давлением происходит превращение механической энергии в электрическую. В перспективе возможно устройство более мощных энергодобывающих систем.

В настоящее время разрабатываются генераторы, обладающие небольшими размерами, основой которых служит нитрид алюминия, успешно заменивший традиционный цирконат-титанат свинца. Данное устройство по своей сути является беспроводным температурным датчиком, способным накапливать энергию от различных вибраций и передавать полученные данные через установленные промежутки времени. В настоящее время преобразователи на базе пьезоэлементов устанавливаются на реактивные самолеты.

Созданы экспериментальные светофоры, работающие от аккумуляторов, заряжающихся от колебаний воздуха, вызванных городским шумом. В будущем эти разработки позволят ликвидировать дефицит мощностей. С помощью пьезоэлементов станет возможно получать электричество в результате движения автомобилей по специально оборудованным трассам. Тротуары для пешеходов также внесут свой вклад в добычу электроэнергии.

Данное направление очень интересное и перспективное, привлекающее внимание ученых многих стран. Введение в электричество.

Проводка и заземление. Освещение интерьера. Альтернативная энергия. Видеонаблюдение и домофоны. Щиты, шкафы и боксы. Электрические счетчики. Розетки и выключатели. Антенна и интернет. Реле, контакторы, датчики. Вентиляторы, конвекторы. Электрические измерения. Теплые полы и термостаты.

Трансформаторы тока. Книги по электрике. Радио- и электротеника. Услуги электрика в Москве и области. Электромонтаж квартир и домов. Содержание: Физические свойства пьезоэлемента Принцип работы Применение Среди множества диэлектрических материалов встречаются и такие, которые обладают так называемым пьезоэффектом.

Физические свойства пьезоэлемента Пьезоэлектрические материалы по своей сути довольно простые и характеризуются всего лишь двумя физическими величинами — диэлектрической проницаемостью и пьезоэлектрическим модулем. Принцип работы Действие пьезоэлемента наиболее четко просматривается на примере зажигалки нажимного действия.

Применение Любой пьезоэлемент можно использовать в современных технических устройствах разного назначения. Что такое защитное заземление. Расчет и подключение тепловой завесы. Ремонт квартир. Электро схемы. Электрика Введение в электричество Проводка и заземление Освещение интерьера Альтернативная энергия Электромонтаж Бытовая техника Провода и кабели Видеонаблюдение и домофоны Щиты, шкафы и боксы Электрические счетчики Автоматы, УЗО, Диф Розетки и выключатели Освещение Антенна и интернет Светодиоды Электроинструмент Реле, контакторы, датчики Вентиляторы, конвекторы Электрические измерения Теплые полы и термостаты Трансформаторы тока Электродвигатели Предохранители Книги по электрике Видеокурсы Электробезопасность Автоэлектрика Радио- и электротеника Полы и потолки разное.


Как работает механический кнопочный пьезоэлемент (пьеза), откуда электричество для искры?

Существуют однослойные, двухслойные и многослойные пьезокристаллы. Если их растянуть или сжать, они генерируют электричество. В —е года в СССР изучением пьезоэлектричества занимался Всесоюзный научно-исследовательский институт пьезооптического минерального сырья , который издавал ежегодные научные труды. Материал из Википедии — свободной энциклопедии.

Пьезоэлемент как источник высокого напряжения | all-audio.pro . Пьезоэлемент: применение и принцип работы.

Пьезо что можно сделать. Генератор из пьезоэлемента

Опыт показывает, что проводимость пьезоэлемента в цепи переменного тока, частота которого плавно изменяется в широких пределах, возрастает с ростом частоты и линейно зависит от последней, т. Однако закономерный емкостный характер проводимости нарушается на некоторых частотах и характеризуется резким ростом проводимости, вслед за которым следует её резкое падение. В момент, когда проводимость становится максимальной, её характер изменяется — она становится активной. Активный характер проводимости наблюдается также в момент, когда она минимальна. В промежутке между максимальным и минимальным значениями проводимость имеет индуктивный характер. Эти изменения проводимости имеют типично резонансный характер. На рисунке изображена полная проводимость пьезоэлемента Y в широком интервале частот F. В точках P резонанс и A антирезонанс проводимость имеет активный характер, между этими точками — индуктивный, а на частотах ниже точки P и выше точки A — емкостной. Резонансные явления в электрической цепи пьезоэлементов обусловлены резонансами его мехапических колебаний. Резонансные колебания в твердом упругом теле наблюдаются тогда, когда частота возбуждающей силы оказывается близкой к частоте его собственных колебаний.

Установки для исследования и контроля параметров пьезоэлементов Пьезо-П

Выходное напряжение с пьезокрис-талла усиливается, и через динамик мы слышим записанные звуки. Рассмотрим появление зарядов на гранях кристалла кварца, у которого пьезоэлектрический эффект достаточно сильно выражен. На рис. Ось X называется электрической осью, ось У—механической илинейтральной. Использование двух а иногда и больше пластин повышает выходную ЭДС, поскольку выходные сигналы пластин складываются.

Электрика и электрооборудование, электротехника и электроника — информация! С развитием технологий человечество начинает расходовать все меньше энергии понапрасну.

Пьезоэлектричество

Отправить комментарий. С момента своего появления в серийном производстве в году и до настоящего момента аккумуляторные топливные системы Common Rail СR находятся в процессе постоянного конструктивного совершенствования. Причем, технический уровень топливной аппаратуры такого типа оценивается по техническому уровню применяемых в ней топливных форсунок. В настоящее время фирмой Robert B OSCH ведется серийный выпуск уже третьего поколения топливной системы CR, отличительной особенностью которой является применение пьезоэлектрического преобразователя в цепи управления иглой форсунки. Помимо этого, такая форсунка характеризуется наличием устойчивого многофазового впрыскивания топлива, минимальными порциями предварительного впрыскивания, возможностью короткого промежутка времени между предварительным и основным впрыскиванием и компактным конструктивным решением. Важно отметить также, что по сравнению с электромагнитной форсункой форсунка с пьезоприводом имеет меньший расход топлива на управление и, следовательно, обладает большим КПД.

Принцип работы пьезоэлектрических резонаторов

Пьезоэлектрические форсунки находят сейчас все большее применение в топливных системах Common Rail у современных дизелей. Конструкторы получают инструмент для точной настройки двигателей, а автовладельцы и механики — букет финансовых и технических нюансов. Так в чем тут достоинства и в чем недостатки? Состоявшееся в конце девяностых внедрение системы Common Rail стало новой вехой в развитии двигателя Дизеля. Рядный топливный насос высокого давления ТНВД сменил магистральный насос, а гидравлические форсунки уступили место форсункам с электромагнитными клапанами, управляемыми электроникой. В отличие от прежней конструкции, где открывание иглы распылителя происходило только за счет давления, электрогидравлические форсунки работают несколько иначе. В состоянии покоя давление топлива на конусе иглы распылителя и в камере управляющего клапана, расположенного над иглой, оказывается одинаково, подпружиненная игла запирает сопла, и впрыска не происходит.

Принцип действия. Работа пьезоэлектрического датчика основана на физическом явлении, которое Слово «пьезо» по-гречески означает « давлю».

Пьезоэлектрические кристаллы проявляют пьезоэлектрический эффект. Этот эффект имеет два свойства:. Первый — прямой пьезоэлектрический эффект, который означает, что материал обладает способностью превращать механическую деформацию в электрический заряд. Второй — обратный эффект, при котором приложенный электрический потенциал преобразуется в механическую энергию деформации.

Регистрация Вход. Ответы Mail. Вопросы — лидеры Просвещение и лженауки : термины и понятия в русском и английском 1 ставка. Решите задачу по физике 1 ставка. Задача по физике 1 ставка.

Конструктивно пьезоэлемент представляет из себя пьезокерамику с нанесенными электродами. Пьезоэлементы могут быть разнообразной формы: в виде дисков, колец, трубок, пластин, сфер и др.

И вот мы спешим на помощь! Мы не будем углубляться в научные дискуссии о пьезо-датчиках, но всё же объясним базовые принципы и отличия их от обычных магнитных датчиков, которые мы все знаем и любим. Абсолютное большинство датчиков на электрогитарах — это магнитные звукосниматели. Независимо от того, активные они например, большинство EMG или пассивные большая часть Seymour Duncan , магнитные датчики работают по одному принципу. В них находится магнит или несколько магнитов, вокруг которых установлена обмотка. При звукоизвлечении ударе по струне струна вибрирует.

Разместить тендер на закупку. Рисунок 1- Uo — опорное напряжение, U — падение напряжения на пьезоэлементе, Ro -резистор, Z — комплексный импеданс пьезоэлемента или преобразователя. В установках реализован цифровой способ измерений, позволяющий возбуждать пьезоэлемент или преобразователь широкополосным сигналом, спектр которого охватывает заданную область частот.


Что такое пьезоэлектрический преобразователь? — Определение, работа и применение

от администратора

Определение:

Преобразователь, использующий пьезоэлектрический элемент для преобразования механического движения в электрический сигнал, называется пьезоэлектрическим преобразователем. Этот преобразователь работает по принципу пьезоэлектрического эффекта . Активный преобразователь.

Пьезоэлектрический материал и пьезоэлектрический эффект:

Пьезоэлектрический преобразователь использует пьезоэлектрический материал в качестве элемента преобразования. Пьезоэлектрический материал — это материал, в котором возникает разность электрических потенциалов на определенной поверхности кристалла, если размер кристалла изменяется при приложении силы. Эта разность потенциалов возникает из-за смещения заряда. Процесс является обратимым, что означает, что если изменить разность потенциалов на некоторой заданной поверхности, размер пьезоэлектрического материала также изменится. Этот эффект известен Пьезоэлектрический эффект . Элементы, демонстрирующие свойства, известны как электрорезистивные элементы.

Соль Рошель, дигидрофосфат аммония, сульфат лития, тартарат дикалия, кварц и керамика являются некоторыми распространенными примерами пьезоэлектрического материала. По сути, существует два типа пьезоэлектрических материалов: натуральные и синтетические.

Природный пьезоэлектрический материал – это материал, который встречается в природе и может использоваться как таковой. Однако синтетические пьезоэлектрические материалы — это такие материалы, в которых пьезоэлектрические свойства не обнаруживаются в их исходном состоянии, но эти свойства создаются с помощью специальных методов, таких как поляризационная обработка.

Кварц и керамика являются примерами природного пьезоэлектрического материала, тогда как такие материалы, как сульфат лития, тартарат этилендиамина, относятся к синтетической группе.

Принцип работы пьезоэлектрического преобразователя:

Принцип работы пьезоэлектрического преобразователя основан на том факте, что при приложении механической силы к пьезоэлектрическому кристаллу на его гранях возникает напряжение. Таким образом, механические явления преобразуются в электрические сигналы. Для работы этого преобразователя не требуется внешнего источника питания, поэтому он является активным преобразователем.

Пьезоэлектрический преобразователь реагирует на механическую силу/деформацию и генерирует напряжение. Могут существовать различные режимы деформации, на которые могут реагировать эти преобразователи. Режимы могут быть: расширение по толщине, поперечное расширение, сдвиг по толщине и сдвиг по торцу.

В пьезоэлектрическом преобразователе между двумя электродами зажат пьезоэлектрический кристалл. Когда происходит механическая деформация, она генерирует заряд и, следовательно, действует как конденсатор. На электродах преобразователя возникает напряжение, которое можно измерить и откалибровать с помощью силы деформации, чтобы непосредственно измерить механическую силу деформации. На рисунке ниже показан простой пьезоэлектрический преобразователь.

Следует отметить, что пьезоэлектрический эффект чувствителен к направлению. Это означает, что полярность заряда не будет одинаковой для растягивающей и сжимающей силы. Полярность напряжения, вызванного растягивающей силой, будет противоположна полярности напряжения, вызванного сжимающей силой.

Величина и полярность индуцированного заряда на электродах прямо пропорциональны приложенной силе и ее направлению. Пусть приложенная сила равна F, тогда индуцированный заряд будет равен

Q = kF ……….(1)

где k – константа пропорциональности. Эта константа есть не что иное, как чувствительность пьезоэлектрического материала к заряду. Он постоянен для данного материала и определяется как заряд, создаваемый на единицу приложенной силы. Его единица измерения равна (колумб / ньютон)

Если предположить, что площадь поверхности электрода и расстояние между электродами равны A и d соответственно, заряд, генерируемый на каждом электроде пьезоэлектрического преобразователя, определяется следующим образом.

Q = CV

где C – емкость, образованная электродами и пьезоэлектрическим материалом

C = ƐA / d

Следовательно,

Q = ƐAV / d …………. (2)

.(2) (1) и (2),

kF = ƐAV / d

F = (ƐAV) / (dk)

Внимательно соблюдайте приведенное выше выражение; Ɛ, A, d и k являются постоянными для данного пьезоэлектрического преобразователя. По существу это означает, что величина приложенной силы прямо пропорциональна выходному напряжению на электродах.

Таким образом, измеряя величину напряжения на электродах пьезопреобразователя, можно найти величину механической силы. Следовательно, механическая сила преобразуется в электрический сигнал, что является единственным требованием любого преобразователя.

Режимы работы пьезоэлектрического кристалла:

Пьезоэлектрический кристалл можно использовать во многих режимах. Есть режимы:

  • Сдвиг по толщине
  • Торцевые ножницы
  • Увеличение толщины
  • Поперечное расширение

Эти режимы показаны на рисунке ниже.

Каждый из вышеперечисленных режимов может быть преобразован в электрический сигнал с помощью пьезоэлектрического преобразователя. Склеивая два кристалла вместе так, чтобы их электрические оси были перпендикулярны, можно получить «Бендеры» или «Твистеры». Это означает, что изгибающее движение, применяемое к гибочному станку, создает выходное напряжение. Точно так же крутящее движение, применяемое к крутильному механизму, создает выходное напряжение. Бендеры и твистеры показаны ниже.

Свойства пьезоэлектрического кристалла:

Основными свойствами пьезоэлектрического материала для его пригодности для использования в пьезоэлектрическом преобразователе являются стабильность, выходная нечувствительность к температуре и влажности и способность принимать наиболее желаемую форму.

Кварц — самый стабильный пьезоэлектрический кристалл. Однако его выход очень мал. С другой стороны, сегнетовая соль обеспечивает максимальную производительность, но ее главный недостаток заключается в том, что ее можно использовать только в ограниченном диапазоне температур (только до 45°C) и ее необходимо защищать от влаги.

Тартарат бария имеет то преимущество, что ему можно придавать различные формы и размеры. Его диэлектрическая проницаемость также высока (следовательно, емкость C будет высокой, что приведет к более высокому выходному напряжению). Преимущество природного хрусталя в том, что он обладает более высокой механической и термической стабильностью, может выдерживать более высокие нагрузки. Синтетический материал обычно имеет более высокую чувствительность к напряжению.

Эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя:

Базовая электрическая эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя показана на рисунке ниже.

Из схемы замещения пьезопреобразователя можно отметить следующие пункты:

  • Источник – генератор заряда, величина которого равна dF.
  • Генерируемый заряд находится на емкости C p кристалла и сопротивлении утечки R p .
  • Генератор заряда может быть заменен эквивалентным источником напряжения с напряжением E o = Q/C p = dF/C p

Применение/использование пьезоэлектрического материала и преобразователя:

Применение или использование пьезоэлектрического материала и преобразователя перечислены ниже:

  • Кварц обычно используется для стабилизации электронных генераторов из-за его высокой стабильности.
  • Пьезоэлектрический преобразователь
  • в основном используется для динамических измерений. Напряжение, развиваемое приложением деформации, не удерживается в статическом состоянии. Поэтому эти преобразователи используются для измерения таких величин, как шероховатость поверхности, ускорение (называемое акселерометром) и вибрации.
  • Ультразвуковой генератор
  • также использует титанат бария, который является пьезоэлектрическим материалом. Такие материалы используются в промышленных очистных устройствах, а также в системе подводного обнаружения, известной как гидролокатор .

Пьезоэлектрический принцип


Активным элементом акселерометра является пьезоэлектрический материал. Рисунок 1 иллюстрирует пьезоэлектрический эффект с помощью компрессионного диск. Компрессионный диск выглядит как конденсатор с пьезокерамическим покрытием. материал, зажатый между двумя электродами. Сила приложена перпендикулярно к диску вызывает производство заряда и напряжение на электродах.

Рисунок 1: Пьезоэлектрический эффект, основные расчеты

Чувствительный элемент пьезоэлектрического акселерометра состоит из двух основные части:
  • Пьезокерамический материал
  • Сейсмическая масса

Одна сторона пьезоэлектрического материала соединена с жесткой стойкой в основании датчика. Так называемая сейсмическая масса присоединена к другому сторона. Когда акселерометр подвергается вибрации, создается сила который действует на пьезоэлемент (ср. рис. 2). В соответствии по закону Ньютона эта сила равна произведению ускорения и сейсмическая масса. За счет пьезоэлектрического эффекта выход заряда пропорционален к приложенной силе. Поскольку сейсмическая масса постоянна выходной сигнал заряда пропорционален ускорению масса.

Рисунок 2: Принцип работы пьезоэлектрического акселерометра

В широком диапазоне частот и основание датчика, и сейсмическая масса одинаковая величина ускорения. Следовательно, датчик измеряет ускорение объекта испытаний.

Пьезоэлемент подключается к гнезду датчика через пара электродов. Некоторые акселерометры имеют встроенную электронную схема, которая преобразует выход заряда с высоким импедансом в низкоимпедансный сигнал напряжения.

В пределах полезного диапазона рабочих частот чувствительность не зависит частоты, за исключением упомянутых позже ограничений.

Пьезоэлектрический акселерометр можно рассматривать как механический низкочастотный с резонансным пиком. Сейсмическая масса и пьезокерамика (плюс другие «гибкие» компоненты) образуют систему пружинных масс. Он показывает типичное резонансное поведение и определяет верхний частотный предел акселерометра. Для достижения более широкого диапазона рабочих частот резонанс следует увеличить частоту. Обычно это делается путем уменьшения сейсмическая масса. Однако чем ниже сейсмическая масса, тем ниже чувствительность. Поэтому акселерометр с высокой резонансной частотой, например ударный акселерометр будет менее чувствительным, тогда как сейсмический акселерометр с высокой чувствительностью имеет низкую резонансную частоту.

На рис. 3 показана типичная частотная характеристика акселерометра. когда он возбуждается постоянным ускорением.

Рисунок 3: Кривая частотной характеристики

Из этой кривой можно получить несколько полезных частотных диапазонов:

  • Примерно на 1/5 резонансной частоты реакция датчик 1,05. Это означает, что измеренная ошибка по сравнению к более низким частотам составляет 5 %.
  • При примерно 1/3 резонансной частоты ошибка составляет 10 %. По этой причине следует рассматривать «линейный» частотный диапазон. ограничивается 1/3 резонансной частоты.
  • Предел 3 дБ с погрешностью приблизительно 30 % достигается при примерно в полтора раза больше резонансной частоты.

Нижний предел частоты в основном зависит от выбранного предусилителя. Часто его можно отрегулировать. С усилителями напряжения низкая частота предел является функцией постоянной времени RC, формируемой акселерометром, кабель и входная емкость усилителя вместе с входом усилителя сопротивление.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *