Was ist ein piezoelektrischer Wandler? Schaltplan, Arbeitsweise und Anwendungen

In unserem täglichen Leben begegnen wir verschiedenen Situationen, in denen wir physikalische Größen wie mechanische Beanspruchung messen müssen Anwendung auf Metall, Temperaturniveaus, Druckniveaus usw. Für all diese Anwendungen benötigen wir ein Gerät, das diese unbekannten Größen in uns bekannten Einheiten und Kalibrierungen messen kann. Ein solches Gerät, das für uns am nützlichsten ist, ist der TRANSDUCER . Der Wandler ist ein elektrisches Gerät, das jede Art von physikalischer Größe in Form einer proportionalen elektrischen Größe umwandeln kann, entweder als Spannung oder elektrischen Strom . Aus dem großen Fundus verschiedener Wandlertypen soll dieser Artikel piezoelektrische Wandler erläutern .

Was ist ein piezoelektrischer Wandler?

Die Definition eines piezoelektrischen Wandlers ist ein elektrischer Wandler die jede Form von physikalischer Größe in ein elektrisches Signal umwandeln kann , mit dem gemessen werden kann. Ein elektrischer Wandler, der die Eigenschaften piezoelektrischer Materialien zur Umwandlung physikalischer Größen in elektrische Signale nutzt, wird als piezoelektrischer Wandler bezeichnet

Piezoelektrische Materialien besitzen die Eigenschaft der Piezoelektrizität , wonach bei jeder Art von mechanischer Belastung oder Belastung eine der aufgebrachten Belastung proportionale elektrische Spannung erzeugt wird. Diese erzeugte elektrische Spannung kann mit Spannungs-Messgeräten . gemessen werden um den Wert der auf das Material ausgeübten Spannung oder Dehnung zu berechnen.

Typen piezoelektrischer Materialien

Einige der Arten von piezoelektrischen Materialien sind:

Natürlich Verfügbare: Quarz, Rochellesalz, Topas, Mineralien der Turmalingruppe und einige organische Substanzen wie Seide, Holz, Emaille, Knochen, Haare, Gummi, Dentin. Produziert künstlich piezoelektrische Materialien sind Polyvinylidendifluorid, PVDF oder PVF2, Bariumtitanat, Bleititanat, Bleizirkonattitanat (PZT), Kaliumniobat, Lithiumniobat, Lithiumtantalat und andere bleifreie piezoelektrische Keramiken.

Nicht alle piezoelektrischen Materialien können in piezoelektrischen Wandlern verwendet werden . An die als Wandler zu verwendenden piezoelektrischen Materialien müssen bestimmte Anforderungen gestellt werden. Die zu Messzwecken verwendeten Materialien sollten frequenzstabil sein, hohe Ausgangswerte aufweisen, unempfindlich gegenüber extremen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen und in verschiedenen Formen erhältlich sein oder sollten flexibel sein, um in verschiedenen Formen hergestellt zu werden, ohne deren Eigenschaften zu beeinträchtigen.

Leider gibt es kein piezoelektrisches Material, das all diese Eigenschaften besitzt. Quarz ist ein hochstabiler Quarz, der natürlich verfügbar ist, aber kleine Ausgangspegel hat. Langsam variierende Parameter können mit Quarz gemessen werden. Rochelle-Salz liefert die höchsten Leistungswerte, reagiert jedoch empfindlich auf Umgebungsbedingungen und kann nicht über 1150F betrieben werden.

Piezoelektrischer Wandler funktioniert

Piezoelektrischer Wandler arbeitet nach dem Prinzip der Piezoelektrizität. Die Flächen aus piezoelektrischem Material, gewöhnlichem Quarz, sind mit einer dünnen Schicht aus leitfähigem Material wie Silber beschichtet. Wenn Spannung aufgebracht wurde, bewegen sich die Ionen im Material zu einer der leitenden Oberflächen, während sie sich von der anderen wegbewegen. Dies führt zur Erzeugung von Ladung. Diese Ladung wird zur Spannungskalibrierung verwendet. Die Polarität der erzeugten Ladung hängt von der Richtung der angelegten Spannung ab. Stress kann in zwei Formen als CDruckstress . angewendet werden und Zugbelastung wie unten gezeigt.

Piezoelektrische Wandlerformel

Die Ausrichtung des Kristalls beeinflusst auch die erzeugte Spannung. Quarz in einem Wandler kann in Längsposition angeordnet werden oder Querposition .

Längs- und Querwirkung

Im Längsschnitt ist die erzeugte Ladung gegeben durch

Q =F * d

F ist die aufgebrachte Kraft, d ist der piezoelektrische Koeffizient des Kristalls.

Piezoelektrischer Koeffizient d des Quarzkristalls beträgt etwa 2,3 * 10 ^-12 C/N.

Im transversalen Effekt ist die erzeugte Ladung gegeben durch

Q =F * d * (b/a)

Wenn das Verhältnis b/a größer als 1 ist, ist die durch die Queranordnung erzeugte Ladung größer als die durch die Längsanordnung erzeugte Menge.

Piezoelektrischer Wandlerschaltkreis

Die Funktionsweise eines einfachen piezoelektrischen Wandlers kann durch die folgende Abbildung erklärt werden.

Hier wird mit Silber beschichteter Quarzkristall als Sensor verwendet, um bei Belastung eine Spannung zu erzeugen. Ein Ladungsverstärker wird verwendet, um die erzeugte Ladung ohne Verlust zu messen. Um einen sehr geringen Strom zu ziehen, ist der Widerstand R1 sehr hoch. Die Kapazität des Anschlusskabels, das den Wandler und den piezoelektrischen Sensor verbindet wirkt sich auch auf die Kalibrierung aus. Daher wird der Ladungsverstärker normalerweise sehr nahe am Sensor platziert.

In einem piezoelektrischen Wandler wird also bei mechanischer Belastung eine proportionale elektrische Spannung erzeugt, die mit einem Ladungsverstärker verstärkt und zur Kalibrierung der aufgebrachten Belastung verwendet wird.

Piezoelektrischer Ultraschallwandler

Der piezoelektrische Ultraschallwandler arbeitet nach dem Prinzip des umgekehrten piezoelektrischen Effekts . Bei diesem Effekt erfährt ein piezoelektrisches Material, wenn Elektrizität anliegt, physikalische Verformungen proportional zur angelegten Ladung. Die Schaltung desUltraschallwandlers ist unten angegeben.

Hier der Quarzkristall wird zwischen zwei Metallplatten A und B gelegt, die mit der Primärseite L3 des Transformators verbunden sind. Die Primärwicklung des Transformators ist induktiv mit dem elektronischen Oszillator gekoppelt . Die Spulen L1 und L2, die die Sekundärseite des Transformators bilden, sind mit dem elektronischen Oszillator verbunden.

Wenn die Batterie eingeschaltet ist, erzeugt der Oszillator hochfrequente Wechselspannungsimpulse mit einer Frequenz f=1÷(2π√L1C1). Dadurch wird in L3 eine EMK induziert, die durch die Platten A und B auf den Quarzkristall übertragen wird. Aufgrund des umgekehrten piezoelektrischen Effekts beginnt sich der Kristall abwechselnd zusammenzuziehen und auszudehnen, wodurch mechanische Schwingungen erzeugt werden.

Resonanz tritt auf, wenn die Frequenz des elektronischen Oszillators gleich der Eigenfrequenz des Quarzes ist. An diesem Punkt erzeugt Quarz longitudinale Ultraschallwellen mit großer Amplitude.

Piezoelektrische Wandleranwendungen

• Da piezoelektrische Materialien keine statischen Werte messen können, werden diese hauptsächlich zur Messung der Oberflächenrauheit, in Beschleunigungsmessern und als Schwingungsaufnehmer verwendet.
• Sie werden in Seismographen verwendet um Vibrationen in Raketen zu messen.
• In Dehnungsmessstreifen zur Messung von Kraft, Spannung, Schwingungen usw.…
• Wird von der Automobilindustrie verwendet, um Klopfen in Motoren zu messen.
• Diese werden in der Ultraschall-Bildgebung verwendet in medizinischen Anwendungen.

Vorteile und Grenzen piezoelektrischer Wandler

Zu den Vorteilen und Einschränkungen von piezoelektrischen Wandlern gehören die folgenden.

Vorteile

• Dies sind aktive Wandler, d.h. sie benötigen keine externe Stromversorgung zum Betrieb und sind daher selbsterzeugend.
• Der Hochfrequenzgang dieser Wandler ist eine gute Wahl für verschiedene Anwendungen.

Einschränkungen

• Temperatur und Umgebungsbedingungen können das Verhalten des Schallkopfs beeinflussen.
• Sie können nur Druckänderungen messen, daher sind sie bei der Messung statischer Parameter nutzlos.

Hier dreht sich also alles um piezoelektrische Wandler, Arbeitsprinzip, Formel, Schaltung mit Arbeitsfunktion, Vorteile, Einschränkungen und auch Anwendungen. Aus den obigen Informationen ergeben sich verschiedene Anwendungen von piezoelektrischen Wandlern, wie wir besprochen haben. Für welche Anwendung haben Sie den piezoelektrischen Wandler verwendet? Wie war deine Erfahrung?