Պիեզոէլեկտրական փոխարկիչ. նպատակը և կիրառումը

2024 Հեղինակ: Angel Austin | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2023-12-17 05:30

Այս փոխարկիչները պատկանում են գեներատորների ենթախմբին, դրանք հիմնված են մեխանիկորեն կուտակված էլեկտրական լիցքերի վրա։ Արդյունքում առանձնանում են հետևյալ հարաբերությունները՝ Q=d P. Այս դեպքում d-ն պիեզոէլեկտրական մոդուլն է, իսկ P-ն ուժն է։ Որպես կանոն, նյութը քվարց է, տուրմալին, եռացող խառնուրդներ, բարիում, կապար։ Պիեզոէլեկտրական փոխարկիչի նախագծման համար անհրաժեշտ է օգտագործել բեռնվածքի նախշեր՝ սեղմում, կռում, կտրում, ձգում:

Ուղիղ և հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ

Ուղիղ էֆեկտը բնութագրվում է հետևյալով. օգտագործվող բյուրեղային նյութը որոշակի հերթականությամբ դասավորված լիցքավորված իոնների պատճառով ստեղծում է ցանց: Ընթացքում տարբեր մասնիկները հերթափոխվում են և փոխադարձաբար փոխհատուցվում, ինչը հանգեցնում է էլեկտրական չեզոքության: Բյուրեղներն ունեն առանձնահատկություններ, որոնք նշված են հետևյալ կերպ.

• սիմետրիա առանցքի նկատմամբ;
• հաշվի առնելով նախորդ տեսակետը, վանդակ է հայտնվում իոններով, որոնք հերթափոխվում և փոխհատուցվում են:

Եթե գործընթացում օգտագործվող նյութն ուղղված է F_x ուժին, ապա այնդեֆորմացվում է, դրական և բացասական լիցքերի միջև հեռավորությունը փոխվում է, և ուղղությունը տվյալ առանցքում էլեկտրականանում է։ Այս ամենը արտահայտված է q=d₁₁F_x բանաձեւով և համաչափ է ուժին: Գործակիցը կապված է նյութի և նրա վիճակի հետ, այն ունի անուն՝ պիեզոէլեկտրական մոդուլ։ Ցուցանիշները որոշվում են ուժով և եզրերով, բայց եթե դուք փոխեք ուղղությունը, ազդեցությունը տարբեր կլինի:

Պիեզոէլեկտրական փոխարկիչն ուղղակի գործընթացում էլեկտրականացնում է բյուրեղները արտաքին ուժերի ազդեցության տակ: Այս ազդեցությունը տեղի է ունենում այն նյութերի ազդեցության տակ, որոնք էլեկտրիկներ են: Չափիչ գործիքներ պատրաստելու համար ձեզ հարկավոր են քվարց բյուրեղներ։ Այսինքն՝ պիեզոէլեկտրական փոխարկիչի աշխատանքի սկզբունքը հետևյալն է՝ ուղղակի ազդեցությամբ գործողությունն իրականացվում է մեխանիկայի միջոցով, իսկ հակառակ դեպքում՝ բյուրեղները դեֆորմացվում։

Լրացուցիչ պիեզո էֆեկտներ

Բյուրեղը կարող է բևեռացվել, երբ թիթեղը ենթարկվում է ուժերի X, Y առանցքների վրա: F_y – լայնակի, F_z ոչ մի վճար չի առաջանում: Քվարց բյուրեղը գտնվում է երեք կոորդինատային առանցքների վրա։ Պիեզոէլեկտրական փոխարկիչներ օգտագործելու համար անհրաժեշտ է կտրել ափսե, որը ցույց է տալիս ազդեցությունը։ Այն ունի հետևյալ նկարագրությունը՝

• բարձր ուժ;
• լարումը թույլատրվում է մինչև 10⁸ N/m², հետևաբար հնարավոր են մեծ չափելի ուժեր;
• կոշտություն և առաձգականություն;
• նվազագույն շփում ներսում;
• կայունություն,որը չի փոխվում;
• Պատրաստված նյութի առավելագույն որակի գործակից:

Քվարցային թիթեղները օգտագործվում են միայն փոխարկիչներում, որոնք չափում են ճնշումը և ուժը: Հաշվի առնելով նյութի կարծրությունը, այն դժվար է մշակել, ուստի դրանից պարզ ձև է ստեղծվում։ Մոդուլը հաստատուն է մշտական ջերմաստիճանում: Եթե ավելանում է, ապա այս դեպքում մոդուլի նվազում կա։ Պիեզոէլեկտրական հատկությունները անհետանում են 573 աստիճան Ցելսիուսում:

Սարքի և չափման սխեմաների նկարագրություն

Պիեզոէլեկտրական ճնշման փոխարկիչն ունի հետևյալ կառուցվածքը՝

• թաղանթ, որը գործի հատակն է;
• արտաքին երեսպատումը հիմնավորված է, իսկ միջինը մեկուսացված է քվարցով;
• ափսեներն ունեն բարձր դիմադրություն, զուգահեռ միացված;
• մալուխի փայլաթիթեղը և ներքին միջուկը ամրացվում են կափարիչով փակված անցքի մեջ:

Ելքային հզորությունը նվազագույն է, այս առումով ապահովված է մեծ դիմադրությամբ ուժեղացուցիչ։ Ըստ էության, լարումը կախված է մուտքային շղթայի հզորությունից: Փոխարկիչի բնութագրերը ցույց են տալիս զգայունությունը և հզորությունը: Հիմնականում սա լիցքավորման և սարքի սեփական ցուցանիշներն են: Եթե ընդհանուր հաշվարկվի, ապա կստացվի հետևյալ ելքային հզորությունը. S_q =q/F կամ U_xx=d11 _F/Co.

Հաճախականությունների տիրույթն ընդլայնելու համար անհրաժեշտ է մեծացնել չափված ցածր փոփոխականները դեպի հաստատուն ժամանակի միացում: Դա հեշտ է անել՝ միացնելովկոնդենսատորներ, որոնք տեղակայված են սարքի հետ զուգահեռ: Այս դեպքում, սակայն, ելքային լարումը կնվազի։ Բարձրացված դիմադրությունը կընդլայնի շրջանակը՝ առանց զգայունության կորստի: Սակայն այն մեծացնելու համար անհրաժեշտ են մեկուսացման բարելավված որակներ և ուժեղացուցիչներ՝ բարձր դիմադրողականությամբ մուտքագրմամբ:

Չափման սխեմաների նկարագրություն

Հատուկ և մակերեսային դիմադրությունը որոշում են իրենցը, և քվարցի հիմնական բաղադրիչն ավելի բարձր է, ուստի պիեզոէլեկտրական փոխարկիչը պետք է կնքված լինի: Արդյունքում որակը բարելավվում է, իսկ մակերեսը պաշտպանվում է խոնավությունից ու կեղտից։ Սենսորների չափման սխեմաները ստեղծվել են որպես բարձր դիմադրության ուժեղացուցիչներ, որոնք հիմնված էին դաշտային տրանզիստորի ելքային փուլի և գործառնական սարքով չշրջվող ուժեղացուցիչի վրա։ Լարումը մատակարարվում է մուտքին և ելքին:

Սակայն այս հնացած պիեզոէլեկտրական փոխարկիչն ուներ թերություններ.

• ելքային լարման և զգայունության կախվածությունը սենսորի ծավալի նկատմամբ;
• անկայուն հզորություն, որը փոխվում է ջերմաստիճանի պայմանների պատճառով:

Ուժեղացուցիչի լարումը և զգայունությունը որոշվում են թույլատրելի սխալով, եթե ներառված կայուն ծավալը լրացվում է C₁-ով: Բանաձև՝ y_s=(ΔC_o + ΔC_k)/(C_o+C_k +C₁). Փոխակերպումից հետո մենք ստանում ենք՝ S=U_bx/F: Եթե գործակիցը համապատասխանաբար մեծանում է, և այդ փոփոխականները մեծանում են: Չափիչ սխեման բնութագրվում է`

• մշտական ժամանակացույց;
• դիմադրություն R-ը որոշվում է մուտքային հզորությամբ, սենսորների, մալուխների մեկուսացմամբ և R₃;
• MOS տրանզիստորներն ավելի ամուր են, քան դաշտային սարքերը, բայց ունեն բարձր աղմուկի մակարդակ;
• R₃ կայունացնում է լարումը, դրա արժեքը հաշվարկվում է որպես _~ 10¹¹ Օմ.

Վերջին փոփոխականը վերլուծելով՝ կարող ենք ենթադրել, որ հաստատուն ժամանակային գիծը հետևյալն է՝ t ≦ 1c: Այսօր սարքերը լիցքավորելու համար կարող են օգտագործել պիեզոէլեկտրական տվիչներ՝ լարման ուժեղացուցիչներով։

Սարքի առավելությունները

Պիեզոէլեկտրական փոխարկիչն ունի հետևյալ առավելությունները՝

• հեշտ կառուցվածքային հավաքում;
• չափեր;
• հուսալիություն;
• մեխանիկական լարման փոխակերպում էլեկտրական լիցքի;
• փոփոխականներ, որոնք կարելի է արագ չափել։

Քվարցի նման նյութի դեպքում, որը մոտ է մարմնի իդեալական վիճակին, մեխանիկայի փոխակերպումը էլեկտրական լիցքի հնարավոր է -4-ից -6 նվազագույն սխալով: Այնուամենայնիվ, բարձր ճշգրտության տեխնոլոգիայի զարգացումը բարելավել է անկորուստ ճշգրտությունը գիտակցելու ունակությունը: Արդյունքում կարող ենք եզրակացնել, որ այս պիեզոէլեկտրական փոխարկիչները ամենահարմարն են ուժերը, ճնշումը և այլ տարրեր չափելու համար։

PET արագացումը ունի հետևյալ կառուցվածքը՝

• բոլոր նյութերը կցվում են տիտանի հիմքին;
• երկու միաժամանակ միացված պիեզոէլեկտրական տարրերքվարցից;
• բարձր խտության իներցիոն զանգված, որը նախատեսված է նվազագույն չափերի համար;
• ազդանշանի հեռացում փողային փայլաթիթեղով;
• նա, իր հերթին, միացված է մալուխին, որը զոդված է;
• սենսորը ծածկված է հիմքի մեջ պտուտակված գլխարկով;
• օբյեկտի վրա հաշվիչը ամրացնելու համար կտրեք թելը:

Չնայած զանգվածին, սենսորը բավականին կայուն է և խիտ: Աշխատում է 150 մ/վրկ արագությամբ².

Փոխարկիչների նախագծման առանձնահատկությունները

Եթե անհրաժեշտ է ստեղծել արագացուցիչ սենսոր, կարևոր է ճիշտ ամրացնել պիեզո-զգայացնող թիթեղները հիմքին: Այս գործողությունն իրականացվում է զոդման միջոցով։ Մալուխը պետք է համապատասխանի հետևյալ պահանջներին՝

• մեկուսիչ դիմադրությունը պետք է լինի բարձր;
• էկրանը տեղադրված է հյուրասենյակի կողքին;
• հակաթրթռում;
• ճկունություն.

Այսինքն՝ մալուխը չպետք է թափահարվի ուժեղացուցիչի մուտքի մոտ։ Չափիչ սխեման ստեղծվում է սիմետրիկ, որպեսզի միջամտություն չառաջանա: Սենսորում միացումը ասիմետրիկ է, կապարների դիմադրությունը և պատյանը միացված են այնպես, որ ստացվի արտաքին թիթեղների մեկուսացումը։ Ցանկալի արդյունքի հասնելու համար հաշվիչը պետք է պատրաստված լինի գործընթացում օգտագործվող կենտ թվով նյութերից: Տարրերը սեղմվում են ուժեղացուցիչի վրա կենտրոնական մասի անցքերով և մեկուսիչների միջոցով, որոնք պտուտակված են պատյանին:

Թրթռումների չափման սարքերի առանձնահատկությունները

Չափիչ սարքի զգայունությունը բարձրացնելու համար անհրաժեշտ է օգտագործել բարձր մոդուլի պիեզոէլեկտրական տարրեր։ Սանյութը շարված է զուգահեռաբար և միացված մետաղյա միջադիրներով և թիթեղներով։ Նմանատիպ ազդեցության համար նյութերը, որոնք աշխատում են ճկման վրա, դեռ կարող են օգտագործվել: Այնուամենայնիվ, դրանք ցածր հաճախականությամբ են և զիջում են սեղմման մեխանիզմին:

Նյութը կարող է լինել բիմորֆ, այն սովորաբար հավաքվում է հաջորդաբար կամ զուգահեռաբար, ամեն ինչ կախված է դրականորեն տեղակայված առանցքներից։ Որպես կանոն, դրանք երկու ափսեներ են: Եթե հաշվի առնվի չեզոք շերտը, ապա պիեզոէլեկտրական տարրի փոխարեն կարող է օգտագործվել միջին հաստությամբ մետաղից պատրաստված ծածկույթ։

Բավականին դանդաղ շարժվող ազդանշանները չափելու համար կատարեք հետևյալը.

• պիեզոէլեկտրական փոխարկիչ ներառված տատանվողում;
• բյուրեղը ռեզոնանսային հաճախականությամբ է;
• հենց բեռը տեղի ունենա, ցուցիչները կփոխվեն։

Այսօր պիեզո արագաչափերը առաջադեմ սարքեր են, որոնք կարող են լինել բարձր հաճախականությամբ և ուժեղ զգայունությամբ:

Այլընտրանքային էներգիայի աղբյուր փոխարկիչների միջոցով

Էլեկտրաէներգիա արտադրելու հայտնի և անսպառ միջոցներից մեկը ալիքային էներգիան է։ Նման կայանները տեղադրվում են անմիջապես ջրային միջավայրում: Այս երեւույթը կապված է արեւի ճառագայթների հետ, որոնք տաքացնում են օդի զանգվածը, ինչի պատճառով առաջանում են ալիքներ։ Այս երեւույթի լիսեռն ունի էներգիայի ինտենսիվություն, որը որոշվում է քամու ուժգնությամբ, օդային ճակատների լայնությամբ, պոռթկումների տեւողությամբ։

Արժեքը կարող է տատանվել ծանծաղ ջրի մեջ կամ հասնել 100 կՎտ/մետրի:Պիեզոէլեկտրական ալիքային էներգիայի փոխարկիչը աշխատում է որոշակի սկզբունքով. Ջրի մակարդակը բարձրանում է ալիքի միջոցով, այդ ընթացքում օդը քամվում է անոթից։ Այնուհետև հոսքերը անցնում են հետընթաց տուրբինով: Միավորը պտտվում է որոշակի ուղղությամբ՝ անկախ ալիքների շարժումից։

Այս սարքը դրական հատկանիշ ունի. Մինչ օրս դիզայնի բարելավում չի կանխատեսվում, քանի որ գործողության արդյունավետությունն ու սկզբունքը ապացուցված են բոլոր առկա ձևերով։ Տեխնոլոգիական առաջընթացի ընթացքում կարող են կառուցվել լողացող կայաններ։

Ուլտրաձայնային պիեզոէլեկտրական փոխարկիչ

Այս սարքը նախագծված է այնպես, որ այն չի պահանջում լրացուցիչ կարգավորումներ: Այն հագեցած է հիշողության բլոկով, որը տալիս է տեխնիկական արդյունքը։ Վերաբերում է հսկիչ և չափիչ սարքերին: Նման սարքերը տարբերվում են տեսակով, տեխնիկական բնութագրերով, որոնք կազմվում են դիզայնի և նպատակային տվյալների հիման վրա՝ նվազագույն սխալներով։ Բոլոր պահանջները դիտարկվում են դիզայնի հիման վրա:

Բոլոր նման սարքերի համար նախատեսված է ստեղծման ստանդարտ սխեման՝ թերության դետեկտոր, պատյան, էլեկտրոդներ, հիմքի վրա ամրացված հիմնական տարր, միջուկ, փայլաթիթեղ և այլ նյութեր: Ուլտրաձայնային պիեզոէլեկտրական փոխարկիչը օգտակար մոդել է: Այն թույլ է տալիս անմիջապես տվյալներ ստանալ՝ օգտագործելով սարքի հիմքում տեղադրված ձայնը:

Պիեզո փոխարկիչի հավելվածներ

Սարքեր հետուղղակի ազդեցությունը օգտագործվում է ուժ, ճնշում, արագացում չափող գործիքներում: Նրանք ունեն հաճախականության և կոշտության բարձր մակարդակ։ Հետադարձ կապ ունեցող ապարատը օգտագործվում է ուլտրաձայնային թրթռումների, սթրեսի դեֆորմացիայի վերածման, հավասարակշռման մեջ: Եթե երկու էֆեկտները միաժամանակ հաշվի են առնվում, ապա այս տարբերակը հարմար է պիեզորեզոնատորների համար, որոնք բավական արագ փոխակերպում են էներգիայի մի տեսակը մյուսի:

Հակառակ ուղղությամբ միացված դրական սարքերը գործում են ավտոմատ տատանումների վրա և օգտագործվում են գեներատորներում։ Դրանց կիրառման շրջանակը ընդարձակ է, քանի որ դրանք պատշաճ ստեղծման դեպքում ունեն բարձր կայունություն: Հաճախ ցանկալի էֆեկտի հասնելու և ճիշտ տեղեկատվություն ստանալու համար օգտագործվում են մի քանի պիեզո ռեզոնատորներ:

Փոխարկիչների թերությունները

Այս սարքերն ունեն մեծ թվով դրական կողմեր: Այնուամենայնիվ, նրանք ունեն նաև բացասական հատկություններ.

• ելքային դիմադրություն - առավելագույնը;
• չափիչ սխեմաները և մալուխները պետք է ստեղծվեն խիստ պահանջների և ուղեցույցների հիման վրա:

Պիեզոէլեկտրական փոխարկիչի հաշվարկը սկզբում հանգում է ռեզոնանսային հաճախականության հավասարման բանաձևին. F_p =0,24 ·c·: Ափսեի հաստությունը՝ h=F_p a² / 0.24 c=35 10³ 25 10 ^-6/ 0,24 2900=1,257 10^-3մ. Էներգետիկ բնութագրերը հաշվարկվում են հետևյալ կերպ. W_ak =W_ak.ud S=40 4.53 10^-3.