Piezoelektrischer Sensor:Schaltung, Spezifikationen und Anwendungen

Sensoren sind Geräte, die verwendet werden, um die verschiedenen Arten von physikalischen Größen aus der Umgebung zu erkennen oder zu erfassen. Die Eingabe kann Licht, Wärme, Bewegung, Feuchtigkeit, Druck, Vibrationen usw. sein. Die erzeugte Ausgabe ist normalerweise ein elektrisches Signal, das proportional zur angelegten Eingabe ist. Über diesen Ausgang wird der Eingang kalibriert oder das Ausgangssignal zur weiteren Verarbeitung über ein Netzwerk übertragen. Basierend auf dem zu messenden Input gibt es verschiedene Arten von Sensoren. Quecksilberbasiertes Thermometer fungiert als Temperatursensor , ein Sauerstoffsensor im Abgaskontrollsystem eines Autos erkennt Sauerstoff, ein Fotosensor erkennt das Vorhandensein von sichtbarem Licht. In diesem Artikel beschreiben wir den piezoelektrischen Sensor . Bitte beachten Sie den Link, um mehr über den piezoelektrischen Effekt zu erfahren.

Definition eines piezoelektrischen Sensors

Ein Sensor, der nach dem Prinzip der Piezoelektrizität arbeitet wird als piezoelektrischer Sensor bezeichnet. Wobei Piezoelektrizität ein Phänomen ist, bei dem Elektrizität erzeugt wird, wenn ein Material mechanischer Spannung ausgesetzt wird. Nicht alle Materialien haben piezoelektrische Eigenschaften.

Es gibt verschiedene Arten von piezoelektrischen Materialien. Beispiele für piezoelektrische Materialien sind natürlich erhältlicher Einkristallquarz, Knochen etc… Künstlich hergestellt wie PZT-Keramik etc…

Funktionsweise eines piezoelektrischen Sensors

Die üblicherweise von einem piezoelektrischen Sensor gemessenen physikalischen Größen sind Beschleunigung und Druck. Sowohl Druck- als auch Beschleunigungssensoren arbeiten nach dem gleichen Prinzip der Piezoelektrizität, aber der Hauptunterschied zwischen ihnen besteht darin, wie die Kraft auf ihr Sensorelement ausgeübt wird.

Im Drucksensor wird eine dünne Membran auf einer massiven Unterlage platziert, um die aufgebrachte Kraft auf das piezoelektrische Element zu übertragen . Beim Aufbringen von Druck auf diese dünne Membran wird das piezoelektrische Material belastet und beginnt, elektrische Spannungen zu erzeugen. Die erzeugte Spannung ist proportional zum angelegten Druck.

In Beschleunigungsmessern , ist eine seismische Masse am Kristallelement angebracht, um die ausgeübte Kraft auf piezoelektrische Materialien zu übertragen. Wenn eine Bewegung ausgeübt wird, belastet die seismische Massenbelastung das piezoelektrische Material gemäß dem Zweiten Newtonschen Gesetz der Bewegung. Das piezoelektrische Material erzeugt eine Ladung, die zur Kalibrierung der Bewegung verwendet wird.

Ein Beschleunigungskompensationselement wird zusammen mit einem Drucksensor verwendet da diese Sensoren unerwünschte Vibrationen aufnehmen und falsche Messwerte anzeigen können.

Piezoelektrischer Sensorschaltkreis

Eine interne Schaltung eines piezoelektrischen Sensors ist oben angegeben. Der Widerstand Ri ist der Innenwiderstand oder Isolatorwiderstand. Die Induktivität ist auf die Trägheit des Sensors zurückzuführen. Die Kapazität Ce ist umgekehrt proportional zur Elastizität des Sensormaterials. Für das richtige Ansprechen des Sensors müssen der Last- und Ableitwiderstand groß genug sein, damit niedrige Frequenzen erhalten bleiben. Ein Sensor kann als Druckaufnehmer bezeichnet werden in einem elektrischen Signal. Sensoren werden auch als Primärwandler bezeichnet.

Piezoelektrische Sensorspezifikationen

Einige der grundlegenden Eigenschaften von piezoelektrischen Sensoren sind

• • Der Messbereich: Dieser Bereich unterliegt Messgrenzen.

• • Empfindlichkeit S: Verhältnis der Änderung des Ausgangssignals ∆y zu dem Signal, das die Änderung ∆x verursacht hat.
    S =∆y/∆x.
  • Zuverlässigkeit: Dies erklärt die Fähigkeit der Sensoren, die Eigenschaften unter festgelegten Betriebsbedingungen in bestimmten Grenzen zu halten.

Außerdem sind einige der Spezifikationen von piezoelektrischen Sensoren eine Reaktionsschwelle, Fehler, Anzeigezeit usw…

• Diese Sensoren enthalten einen Impedanzwert von ≤500Ω.
• Diese Sensoren arbeiten im Allgemeinen in einem Temperaturbereich von ungefähr -20°C bis +60°C.
• Diese Sensoren müssen bei einer Temperatur zwischen -30 °C und +70 °C aufbewahrt werden, um eine Verschlechterung zu verhindern.
• Diese Sensoren haben eine sehr geringe Lötung Temperatur.
• Die Dehnungsempfindlichkeit eines piezoelektrischen Sensors beträgt 5 V/µƐ.
• Aufgrund seiner hohen Flexibilität ist Quarz das am meisten bevorzugte Material als piezoelektrischer Sensor.

Piezoelektrischer Sensor mit Arduino

Da wir wissen müssen, was ein piezoelektrischer Sensor ist, sehen wir uns eine einfache Anwendung dieses Sensors mit Arduino an. Hier versuchen wir, eine LED umzuschalten, wenn der Drucksensor genügend Kraft erkennt.

Hardware erforderlich

• Arduino-Board .
• Piezoelektrischer Drucksensor.
• LED
• 1 MΩ Widerstand.

Schaltplan:

• Hier wird die mit rotem Draht gekennzeichnete positive Leitung des Sensors mit dem analogen A0-Pin der Arduino-Platine verbunden, während die mit schwarzem Draht gekennzeichnete negative Leitung mit Masse verbunden ist.
• Ein 1-MΩ-Widerstand ist parallel zum Piezoelement geschaltet, um die vom Piezoelement erzeugte Spannung und den Strom zu begrenzen und den Analogeingang vor unerwünschten Vibrationen zu schützen.
• Die LED-Anode ist mit dem digitalen Pin D13 des Arduino verbunden und die Kathode ist mit Masse verbunden.

Arbeiten

Der Schaltung wird ein Schwellenwert von 100 gesetzt, damit der Sensor bei Schwingungen unter dem Schwellenwert nicht aktiviert wird. Dadurch können wir unerwünschte kleine Vibrationen eliminieren. Wenn die vom Sensorelement erzeugte Ausgangsspannung größer als der Schwellenwert ist, ändert die LED ihren Zustand, d.h. wenn sie sich im HIGH-Zustand befindet, geht sie auf LOW. Wenn der Wert niedriger als der Schwellenwert ist, ändert die LED ihren Zustand nicht und bleibt im vorherigen Zustand.

Code

const int ledPin =13; //LED mit digitalem Pin 13 verbunden
const int Sensor =A0; // Sensor an analogem Pin A0 angeschlossen
const int Schwellenwert =100; // Schwellenwert ist auf 100 festgelegt
int sensorReading =0; // Variable zum Speichern des vom Sensor-Pin gelesenen Werts
int ledState =LOW; // Variable zum Speichern des letzten LED-Status, um das Licht umzuschalten

void setup()
{
pinMode(ledPin, OUTPUT); // deklariere den ledPin als OUTPUT
}

void loop()
{
// Sensor lesen und in der Variablen sensorReading speichern:
sensorReading =analogRead(Sensor);

// wenn der Sensormesswert größer als der Schwellenwert ist:
if (sensorReading>=Schwellenwert)
{
// Status umschalten des ledPin:
ledState =!ledState;
// aktualisiere den LED-Pin :
digitalWrite(ledPin, ledState);
delay(10000); // Verzögerung
}
else
{
digitalWrite (ledPin, ledState); // der Anfangszustand der LED, d. h. LOW.
}
}

Piezoelektrische Sensoranwendungen

• • Piezoelektrische Sensoren werden zur Stoßerkennung verwendet .

• • Aktive piezoelektrische Sensoren werden für Dickenmesser und Durchflusssensoren verwendet.

• • Passive piezoelektrische Sensoren werden in Mikrofonen, Beschleunigungsmessern, Tonabnehmern usw. verwendet…

• • Piezoelektrische Sensoren werden auch für die Ultraschallbildgebung verwendet.
  • Diese Sensoren werden für optische Messungen, Mikrobewegungsmessungen, Elektroakustik usw. verwendet…

Hier dreht sich also alles um einen piezoelektrischen Sensor, Eigenschaften, Spezifikationen und auch die einfache Anbindung des Sensors über das Arduino-Board. Diese einfach zu bedienenden Sensoren finden in verschiedenen Anwendungen ihren Platz. Wie haben Sie diese Sensoren in Ihrem Projekt verwendet? Was war die größte Herausforderung bei der Verwendung dieser Sensoren?