раздел 5.1.4 книги «МАНОМЕТРЫ» от НПО «ЮМАС»
Пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) наблюдается у отдельных видов кристаллов. при механическом воздействии на эти кристаллы на их поверхности генерируются электрические заряды. Такой пьезоэффект имеет название прямого. Деформация кристалла или текстуры под воздействием электрического поля носит название обратного пьезоэффекта.Пьезоэлектрическими свойствами обладают как кристаллические вещества естественного происхождения (например, кварц, турмалин, сегнетова соль), так и материалы искусственного происхождения (цирконат титаната свинца, соединения ниобата свинца, керамики А, Б, 260, ТБ-1, PZT, ЦТС19…28 (составы системы PbTiO3–PbZrO3) и др.).
Физическая суть пьезоэлектрического эффекта заключается в совпадении положительных и отрицательных электрических зарядов кристалла в уравновешенном механическом состоянии и появлении поляризации, т. е. расхождении таких центров относительно друг друга при появлении механических напряжений.
q = Z/F = UC/F. (5.8)
Здесь Z – генерируемый электрический заряд; F – воздействующая сила; U – напряжение; C – электрическая емкость.
Из (5.8) следует, что напряжение на выходе преобразователя пропорционально приложенному воздействию, значению пьезомодуля и обратно пропорционально величине электрической емкости
U = F q /C. (5.9)
Электрическая емкость преобразователя может определяться из формулы
C = eeо s/l, (5.10)
где e – диэлектрическая проницаемость среды, находящейся в зазоре между обкладками преобразователя; e о – электрическая постоянная; s и l – площадь и толщина пьезоэлемента.
Как следует из (5.9) и (5.10), для увеличения выходного сигнала пьезопреобразователя необходимо выбирать материалы с минимальным значением e. Однако из-за существования «паразитных» емкостей, включая емкость кабеля и усилителя, отмеченная закономерность имеет место в режиме холостого хода преобразователя только в отдельных случаях. При работе пьезопреобразователя в измерительном комплексе необходимо учитывать технические параметры последнего. Для работы в расширенном частотном диапазоне при значительных шунтирующих емкостях рекомендуется выбирать материалы с большой диэлетрической проницаемостью.
Пьезоэлектрические преобразователи могут функционировать на следующих деформационных эффектах: растяжение–сжатие по длине или толщине, сдвиг по поверхности, изгиб, объемное воздействие. При этом пьезомодуль зависит как от величины, так и от направления воздействия. Так, например, для кварца, ЦТС, ЦТБС-1…3, керамики ТБ-1 наиболее эффективны деформации по толщине и длине; для турмалина, сульфата лития – по толщине и объему; для сегнетовой соли, дигидрофосфата аммония – сдвиг по поверхности и деформация по длине.
Одним из основных показателей эффективности пьезопреобразователя, так называемым коэффициентом полезного действия служит квадрат коэффициента электромеханической связи kе, определяемый выражением
= Qz/Qm= j2E / (eeо). (5.11)
Здесь Qz – энергия механического воздействия Qm, преобразованная в заряд.
Таким образом, эффективность пьезопреобразователя определяется физическими свойствами пьезоматериала: пьезомодулем j, модулем упругости E и диэлектрической проницаемостью e.
Для характеристики пьезоматериалов часто используют также постоянную пьезоматериала g
g = Us/(Fl) = j/(eeо). (5.12)
Одним из наиболее эффективных пьезоматериалов, исходя из значения kе, является сегнетова соль.
В зависимости от вида деформации kе сегнетовой соли изменяется от 0,73 до 0,76, являясь наилучшим показателем среди пьезоматериалов. Наихудшие показатели наблюдаются у турмалина (kе = 0,10) и кварца (kе = 0,10…0,11). У сегнетовой соли один из наиболее высоких значений пьезомодуля
Сегнетова соль может служить хорошим пьезопреобразователем и обладает высокой чувствительностью. Но это вещество имеет допустимую температуру использования 45 °С и высокую гигроскопичность, что затрудняет его практическое применение.
Искусственные пьезокерамики отличаются высоким значением пьезомодуля. При деформации по толщине, например, j составляет от 90 до 470 ×10–12 Кл/Н. При очень больших значениях диэлектрической проницаемости (e = 1000…3000) и существенных показателях пьезомодуля пьезоэлектрическая постоянная искусственных пьезокерамик, как это следует из (5.
12), имеет достаточно малые значения. Эта особенность может успешно использоваться в случаях, когда требуется уменьшение частотной погрешности или сокращение влияния паразитных емкостей измерительной цепи. Однако при работе с пьезокерамиками необходимо учитывать температурные влияния, которые характерны практически для всех основных параметров. Так, в диапазоне температур от –273 до +250 °С диэлектрическая проницаемость керамики PZT-5A изменяется от 400 до 3700, а пьезомодуль от 20× 10 –12 до 200 ×10–12 Кл/Н. Кроме этого, допустимая температура применения искусственных пьезокерамик ограничена 300°С, а в ряде случаев – 100 °С.
Кварц обладает относительно малыми значениями пьезомодуля (j = 2,3× 10–12 Кл/Н), низкой диэлектрической проницаемостью (e = 45). Однако у этого пьезоматериала наблюдаются неплохие температурные зависимости. Так, при увеличении температуры кварца от –200 до 300 °С 10–12 Кл/Н диэлектрическая проницаемость e возрастает от 3,7 до 4,2, а пьезомодуль уменьшается от 2,4 × 10–12 до 2,2 × 10–12 Кл/Н.
Достаточно хорошая стабильность зависимостей электрических параметров при механических воздействиях (погрешность преобразования 10–4…10–6), относительно неплохие температурные характеристики, близость по своим упругим свойствам к идеальному телу позволили кварцу найти практическое использование.
Существуют различные способы применения пьезоэффекта в измерительных системах. В устройствах измерения переменного или пульсирующего давлений наиболее часто используются методы снятия статического напряжения, генерируемого при воздействии на пьезоэлемент механического усилия, и пьезорезонансные, базирующиеся на измерении сопротивления пьезоэлемента или параметра с ним связанного, которые значительно изменяются при существовании резонансных явлений.
Такие сенсоры могут изготовляться как из набора пластин (рис. 5.7,а), так и в виде цельного цилиндра (рис. 5.7,б). Чувствительный элемент в виде набора пьезопластин 1 или пьезоцилиндра 2 устанавливается в прочном металлическом корпусе 3, на одной стороне которого фиксируется мембрана 4. Пьезоэлемент с одной стороны имеет непосредственный электрический контакт с металлической мембраной, а с другой – электрически изолирован от корпуса диэлектрической прокладкой 5. В результате при механическом воздействии на упругую металлическую мембрану на противоположных сторонах пьезоэлемента генерируется электрическое напряжение, выводимое за пределы корпуса электровводом 6 и снимаемое с клемм 7 вывода.
Рис. 5.7. Схемы первичных преобразователей статического напряжения:
а – с пластинчатым набором; б – с цельным пьезоэлементом; 1 – пьезопластина; 2 – пьезоцилиндр; 3 – металлический корпус; 4 – мембрана; 5 – диэлектрическая прокладка; 6 – электроввод; 7 – клеммы
Пьезоэффект на основе статического напряжения при практическом использовании обладает малой электрической мощностью, что обусловливает применение усилителей с большим входным сопротивлением.
Кроме того, малые статические заряды, генерируемые на поверхностях пластин при воздействии давления, из-за токов утечки не устойчивы, что предопределяет применение таких устройств в основном в системах контроля динамических процессов. Достаточно перспективные модели измерительных преобразователей давления и разрежения разработаны в последние годы на основе пьезорезонансных методов. Резонансные явления в рабочем пьезоэлементе возникают в результате установления в нем стоячих ультразвуковых волн. При скорости распространения звука v и частоте излучения f длина ультразвуковой волны в пьезоэлементе может определяться выражением
l =v/f. (5.13)
Если принять скорость распространения ультразвука в упругом элементе как
v = (Eij/rп)1/2, (5.14)
где Eij– модуль упругости; rп – плотность материала пьезоэлемента, то длину волны в нем, используя выражение (5.
13), можно представить в следующем виде:
Таким образом, при постоянных модуле упругости материала
На этом принципе основана работа цилиндрического кварцевого пьезорезонатора (рис. 5.8).
Рис. 5.8. Вид цилиндрического кварцевого пьезорезонатора в разрезе: 1 – перемычка; 2 – кварцевый блок; 3 –крышка
Основой сенсорного блока преобразователя служит линзовый резонатор, изготовленный в виде перемычки 1, установленной в кварцевом блоке 2. Герметизация этого участка осуществляется крышками 3, выполненными также из кварца. Весь блок пьезорезонатора размещается в емкости, заполненной жидкостью, на которую через разделительную мембрану передается воздействие измеряемого давления.
Это приводит к всестороннему сжатию корпуса и плоскому сжатию перемычки, что отображается на ультразвуковом поле рабочего тела.
| Лидеры продаж УКШаблон Красовского УШК-1 Эталоны чувствительности канавочные Магнитный прижим П-образный Альбом радиографических снимков
|
УЗ ПЭП можно условно классифицировать по следующим признакам:
к. коэффициент затухания уменьшается с частотой. Низкочастотные ПЭП применяются при контроле крупнозернистых материалов и материалов с высоким коэффициентом затухания.
Толщина контролируемых П 112 объектов, как правило, находится в диапазоне от 1 до 30мм. Характеристики П112 приведены в таблице:
Преобразователи П121 позволяют выявлять трещины, объемные дефекты, такие как неметаллические включения, поры, непровары, усадочные раковины и т.п. С помощью преобразователей типа П121, как правило, определяются характеристики вертикально ориентированных дефектов. Характеристики и возможная маркировка П 121 одного из производителей приведены в таблице:
с толщиной стенки от 2 до 6 мм., используются контактные раздельно-совмещенные хордовые преобразователи. Применение преобразователей хордового типа особенно эффективно для контроля тонкостенных сварных швов от 2 до 4 мм.
А так же Республики Казахстан, Белоруссия и другие страны СНГ.Пьезопреобразователи электрических сигналов – Энциклопедия по машиностроению XXL
ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ [c.146]Пьезопреобразователи электрических сигналов (резонаторы, фильтры, линии задержки, устройства свертки сигналов и др.) делятся на две основные группы. В первой группе используются объемные акустические волны, где находят применение резонансные свойства и особенности распространения упругих волн в объеме пьезоэлектрика.
[c.672]
Преобразователь акустической эмиссии служит для преобразования упругих акустических колебаний в электрические сигналы и является важнейшим элементом аппаратного комплекса АЭ контроля. Наибольшее распространение нашли пьезоэлектрические ПАЭ, схема которых мало отличается от пьезопреобразователей (ПЭП), используемых при проведении ультразвукового контроля. [c.168]
Генератор 1 возбуждает прямой контактный совмещенный пьезопреобразователь 2. Ультразвуковые импульсы через протектор 3 и слой контактной среды 4 попадают в контролируемое изделие 5, отразившись от его дна, возвращаются на преобразователь и преобразуются им в электрические импульсы, которые через усилитель 6 поступают на вход В измерителя временных 7 интервалов. На вход А измерителя поступают сигналы с того же генератора 1. Измеритель 7 преобразует временной интервал между моментами посылки ультразвукового импульса в изделие и приема донного эхо-сигнала в серию импульсов, число
[c.
278]
Для выявления дефектов применяют специальные приборы — ультразвуковые дефектоскопы (рис. 116). Принцип работы ультразвукового дефектоскопа основан на посылке в контролируемое изделие коротких импульсов ультразвуковых волн и приеме отраженных эхо-сигналов. При помощи генератора электрических импульсов возбуждается кварцевый пьезопреобразователь (щуп) искательной головки 2, который излучает импульсы упругих колебаний в контролируемое изделие 1. Упругий импульс распространяется в металле в виде направленного пучка. [c.194]
Пьезопреобразователи электрических сигналов (резонаторы, фильтры, линии задержки, устройства свертки сигналов и др.) делятся на две основные группы, использующие соответственно объемные и поверхностные акустические волны (ПАВ). В первой группе преобразователей используются резонансные свойства и особенности распространения упругих волн в объеме пьезоэлектрика. Вторая группа преобразователей сигналов основана на амплитудно-фазовых изменениях спектров сигналов, происходящих при возбуждении, распространении и детектировании акустичес-
[c.
131]
Ультразвуковые дефектоскопы предназначены для излучения ультразвуковых колебаний, приема эхо-сигналов, установления положения и размеров дефектов. Простейшая структурная схема эходефектоскопа изображена на рис. 6.22, о. Здесьгенератор I возбуждает короткие электрические импульсы и подает их на излучатель 2, который работает как пьезопреобразователь и преобразует данные импульсы в ультразвуковые колебания (УЗК). УЗК распространяются в объект контроля (ОК) 3, отражаются от дефекта и противоположной стороны ОК, принимаются приемником 4 (излучатель и приемник может быть одним и тем же элементом при совмещегшой схеме пьезопреобразователя). Приемник 4 превращает УЗК в электрические сигналы и подает их на усилитель 5, а затем на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки, на которой формируются пики импульсов I, II, III (верхняя часть рисунка), характеризующие амплитуду эхо-сигналов. Одновременно с запуском генератора импульсов 1 (или с некоторой заданной задержкой во времени) начинает работать генератор развертки 7.
Правильную временную последовательность их включения и работы (а также правильную последовательность работы других узлов дефектоскопа, не показанных на рисунке) обеспечивает синхронизатор 6. Синхронизатор приводит в действие генератор развертки 7. Сигнал, поступающий на генератор развертки 7, направляется на гори-зонтально-отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки. При этом на электронно-лучевой трубке появляется горизонтальная линия (линия развертки дефектоскопа), расстояние между пиками пропорционально пути импульса от излучателя до отражателя и обратно. Таким образом, развертка позволяет различать по времени прихода сигналы от различных отражателей ультразвука (от дефекта II, донный III) и их отклонение от зондирующего I.
[c.178]
Высокой чувствительностью (10 ) к изменению скорости упругих волн обладает метод автоциркуляции импульса [68]. Генератор (рис. 9.3) возбуждает передающий пьезопреобразователь.
При этом образуется импульс, заполненный высокочастотными колебаниями (10 МГц). В образце 4 возникает серия отраженных импульсов. Пьезопреобразователь превращает их в электрические сигналы, приемник усиливает, а селектор 10 периода выделяет я-й импульс и направляет его через усилитель запуска импульсов 1 на генератор для возбуждения новой серии импульсов. Система работает в автоколебательном режиме. Измеритель времени п заданных периодов определяет время следования импульсов. Для точного определения времени прохождения импульса через образец надо знать не только период следования импульсов, но и число периодов заполнения на временном интервале импульса. Для этого с помощью длительной задержки 12 времени, детектора 7 и селектора отраженных импульсов 10 выделяется один
[c.414]Попробуем разобраться, чему должна равняться частота дискретизации акустических сигналов. Пусть сигналы регистрируют с помощью недемпфированного преобразователя, собственная частота которого составляет /о = 100 кГц, а добротность 0 = 10.
В этом случае единичный механический импульс, возникший в момент времени i = О, приведет к электрическому сигнапу на пьезопреобразователе, представляющему собой затухающую по экспонен-
[c.134]
Оценим эту величину. Максимальное регистрируемое без искажений значение напряжения сигнала на выходе усилителя близок к напряжению питания, составляющего обычно для предварительного усилителя сигналов преобразователя величину порядка 10 В. Для линейного детектирования с помощью прецизионных детекторов на операционных усилителях необходима величина сигнала порядка 1 мВ. Следовательно, динамический диапазон (отношение максимального сигнала к минимальному) составит 10 ООО. Если коэффициент усиления усилителя составляет 100 (характерное значение), то напряжение максимального неискажаемого входного сигнала составит 0,1 В (100 мВ), а минимальное – 10 мкВ. Оценим величину электрического шума входного каскада. Приняв, что на входе усилителя сигналов пьезопреобразователя использован полевой транзистор с шумовым напряжением порядка 2 нВ/л/Гц (типовое значение для рассматриваемого частотного диапазона), для полосы частот 10 кГц получим шумовое напряжение 200 нВ – величину, которой можно
[c.
135]
Пьезопреобразователи. Методы расчета. (Раздел 3)
1. Раздел 3. Пьезопреобразователи. Методы расчета
метод решения волнового уравнения (граничных интегральныхуравнений)
метод эквивалентных схем
методы конечных элементов, конечных разностей и др.
(численные методы – основаны на двух предыдущих)
методы оценки переходных процессов (например, метод Д’Аламбера)
1
2. Пьезопреобразователи. Пьезоэффект
Уравнение прямого пьезоэффектаМеханическое напряжение пьезоэлектрической среды описывается системой
уравнений, которая в матричном виде имеет вид:
i cikE u k e pi E p
где компоненты механических напряжений;
модули упругости среды при
E
c
i
постоянном электрическом поле;
ikкомпоненты вектора напряженности
uk
электрического поля.
В развернутом виде: c E u c E u … c E u e E e E e E
1
11 1
12 2
16 6
11 1
21 2
31 3
E
E
E
2 c21u1 c22u 2 .
.. c26u6 e12 E1 e22 E 2 e32 E3 ………………………………………………………………..
E
E
E
6 c61u1 c62u 2 … c66u 6 e16 E1 e26 E2 e36 E3
Матрица модулей упругости:
Матрица пьезопостоянных:
e pi
0
0
0
0
0
0
e31 e31 e33
0
e15
0
e15
0
0
0
0
0
c11E
c12E
c13E
0
0
0
c12E
c13E
c11E
c13E
c13E
E
c33
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
E
c44
0
0
E
c44
0
0
0
0
0
0
E
c11 c12E
2
cikE 0
0
0
2
3. Раздел 3. Пьезопреобразователи. Пьезоэффект
Уравнение обратного пьезоэффектаD
Вектор электрической индукции
в пьезоэлектрической среде в общем
случае описывается системой уравнений
D j uik E p e jk uk
где u
компоненты тензора диэлектрической проницаемости среды
jp 0 ujp
при постоянной деформации;
электрическая
постоянная;
0
0 ujp
относительные значения компонентов.
u
11
0
0
ujp 0 u22 0
Тензор диэлектрических проницаемостей:
0
0 u33
x2
u2
x1
u1
x3
u3
При возбуждении пьезопластины на частоте
собственных колебаний по толщине вдоль оси
x3
, а также если радиус пьезоплатины
много
больше толщины, паразитные деформации
и
u1
u2
малы, поэтому колебания можно считать
x3
одномерными (вдоль оси )
E
3 c33
u3 e33 E3
D3 u33 E3 e33u3
3
Электроника НТБ – научно-технический журнал – Электроника НТБ
Пьезоэлектрические преобразователи и датчики широко применяются в гидроакустике, электроакустике, в ультразвуковой, медицинской, измерительной технике, в сканирующих зондовых наномикроскопах, пьезодвигателях и в других областях [1, 2]. Особое место пьезоэлектрические преобразователи занимают в гидроакустических системах, являясь, по существу, “ушами” и “глазами” подводных и надводных кораблей.Как известно, преобразователь – это устройство, которое преобразует одну физическую величину или энергию в другую физическую величину или энергию, например, тепловую энергию – в электрическую, силу – в перемещение, давление – в электрическое напряжение или ток, электрическое напряжение одного уровня – в электрическое напряжение другого уровня и т.
д. [3]. Датчик (сенсор) – это преобразователь измеряемой физической величины в электрический сигнал (напряжение, ток, частоту, фазу и т.п.) [3, 4]. Другими словами, датчик – это преобразователь для получения измерительной информации. В гидроакустике такие преобразователи называют приемниками звука или излучателями [30]. При проектировании пьезокерамических преобразователей обычно используют пьезоэлемент определенных формы и размеров, из определенного пьезокерамического материала с определенными электрофизическими свойствами (характеристиками). Вектор действующей на пьезоэлемент силы F (давления и т.п.) параллелен вектору поляризации Р. В то же время вектор силы F параллелен вектору электрического поля Е выходного сигнала датчика, т.е. перпендикулярен электродам, которые нанесены на поверхность пьезоэлемента (рис.1а) [1, 2].
Это связано, очевидно, с тем, что при изготовлении пьезоэлемента электроды применяют для его поляризации. Они также применяются для снятия полезного сигнала при измерении физических величин (силы, давления, ускорения и др.
) и для введения в пьезоэлемент электрического напряжения при использовании пьезоэлемента в качестве излучателя. Такой тип преобразователя назван традиционным [1]. В этом случае из определенного пьезоэлемента можно получить только один преобразователь с определенными характеристиками (резонансной частотой, чувствительностью, диапазоном рабочих частот и др.). Для получения преобразователя с другими характеристиками необходимо использовать пьезоэлемент иных размера, формы и/или из иного пьезоматериала.Вариации пространственной
энергосиловой структуры
В работе [1] было предложено при проектировании преобразователей учитывать взаимное расположение векторов F, Р и Е. Это расположение векторов было названо пространственной энергосиловой структурой пьезоэлемента (ПЭСС).
Рассмотрим пьезоэлемент в форме прямоугольного параллелепипеда (рис.1). Пусть электроды нанесены на все грани параллелепипеда и не соединены между собой, а пьезоэлемент поляризован между гранями 1-1΄. Пусть также измеряемая сила F приложена параллельно вектору поляризации P (перпендикулярно к грани 1), а выходное напряжение снимается с граней 1-1΄.
Таким образом, для данного преобразователя все три вектора параллельны оси Z (F↓ P↓ E↓) (см. рис.1а). Как уже отмечено, это – известный (традиционный) вариант расположения векторов F, P, E (пространственной энергосиловой структуры).Реже используются преобразователи, в которых пьезоэлемент располагается таким образом, что вектор силы F перпендикулярен вектору поляризации P (см. рис.1б). Такой тип преобразователя был назван поперечным [5]. Очень интересен вариант преобразователя, у которого выходной сигнал снимается с электродов 2-2΄ (см. рис.1в). В этом случае вектор E перпендикулярен вектору P. Такой тип преобразователя был назван (возможно, не совсем удачно) доменно-диссипативным [1, 2, 6]. Физика процессов, происходящих в этих преобразователях, изучена недостаточно. Предполагается, что влияние на их характеристики могут оказывать следующие факторы [1, 2, 6, 7]: рассеяние энергии на доменах; изменение электрической емкости между электродами; возникновение в пьезоэлементе других типов колебаний.
Определение возможного вклада каждого из перечисленных факторов требует дальнейшего изучения.Приведенные на рис.1 конструктивные схемы преобразователей, естественно, не исчерпывают все возможные варианты их исполнения. Всего же для одного пьезоэлемента в виде прямоугольного параллелепипеда можно получить 27(!) вариантов преобразователей с различными характеристиками [1, 2, 6, 7].
На рис.2 показаны экспериментальные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) преобразователей, изображенных на рис.1. Эти преобразователи были изготовлены из пьезоэлемента с размерами 9×10×90 мм из пьезокерамики ЦТС-19. Измерения АЧХ проводились в пьезотрансформаторном режиме прибором для исследования АЧХ Х1-46, а фотографирование характеристик – цифровой камерой Nikon D90.
Как видно из рис.2 и 3, при изменении взаимного расположения векторов P, F и E в пространстве динамические характеристики преобразователей существенно изменяются. Это открывает широкие возможности при проектировании преобразователей [1, 2, 7].
Вариации пространственного расположения и коммутации электродов пьезоэлемента
Первые пьезоэлементы (например, использованные П.Ланжевеном в гидролокаторах) представляли собой прямоугольные кварцевые пластины с металлическими съемными накладками [1]. Они выполняли две функции. Во-первых, с их помощью собирались электрические заряды, возникающие при действии звукового давления, либо (для излучателей) подводилось электрическое напряжение, во-вторых – понижалась рабочая частота пьезоэлемента. В дальнейшем электроды на кварц и пьезокерамику наносились методами вжигания, напыления и т.п., а пьезоэлементы стали иметь два постоянных электрода. Такие пьезоэлементы получили название “пьезорезонаторы” [21, 28].
Позднее появились устройства на основе пьезорезонаторов с двумя системами электродов – входной и выходной [16, 21]. Такие устройства выполняли функции трансформаторов напряжения или тока с коэффициентом передачи (трансформации) до 1000 и более [16]. Необходимо отметить, что функция пьезотрансформатора не является единственной для этих устройств.
Действительно, каждая система электродов создает собственную колебательную систему, которая отличается от параметров колебательной системы всего пьезоэлемента. Например, в [29] описан излучатель, представляющий собой пьезоэлемент с несколькими системами электродов. Соединение этих систем в определенном порядке дает возможность создать излучатели с различными диаграммами направленности.Не менее интересные результаты можно получить, если подключить к измерительному прибору или генератору электроды из разных систем, например, 1-2΄ или 1΄-2 (рис.4). Это изменяет пространственную энергосиловую структуру пьезоэлемента, а следовательно, и характеристики преобразователя.
Если разделить электроды пьезоэлемента на две равные части, то чувствительность датчика по заряду уменьшится вдвое, так как при равномерном воздействии на пьезоэлемент заряд пропорционален площади электродов. Чувствительность же по напряжению останется такой же, как и для пьезоэлемента с неразделенными электродами, так как при уменьшении величины заряда при делении электродов уменьшается и величина емкости между электродами.
Вполне очевидно, что емкость между электродами 1-2΄ (или 1΄-2) будет меньше, чем емкость между электродами 1-1΄ (2-2΄), поэтому в зависимости от толщины пьезоэлемента на них можно получить электрическое напряжение в несколько раз большее, чем на электродах 1-1΄ или 2-2΄ [7]. Если теперь разнести электроды 1 и 2 и 1΄ и 2΄ друг от друга, чувствительность пьезопреобразователя по напряжению увеличится еще больше (рис.5).
Следует отметить, что пространственное расположение электродов друг относительно друга и их коммутация приводит не только к изменению емкости между электродами и чувствительности, но и к изменению динамических характеристик (АЧХ, импульсной и переходной). Для датчиков могут использоваться также пьезоэлементы дисковой формы с электродами в виде полудисков, дисков и колец, пьезоэлементы в форме полых цилиндров и др. [7].
Использование пространственной электромеханической обратной связи
Обратная связь (ОС) позволяет изменять характеристики систем автоматического регулирования (входное и выходное сопротивление, постоянную времени, динамические характеристики и т.
д.) [8]. ОС также широко используется и в измерительной технике [1, 2, 9]. Например, положительная ОС позволяет возбудить в пьезопреобразователях резонансные колебания и строить на этой основе датчики различных физических величин [10], а отрицательная ОС дает возможность линеаризовать их градуировочные характеристики [11, 26]. Обратная связь обладает уникальными свойствами и позволяет улучшать параметры измерительных устройств. В виду того, что выходная величина пьезодатчиков (заряда или напряжения) зависит не только от механического воздействия (силы, давления, ускорения, т.е. от прямого пьезоэффекта), но и от электрического напряжения (обратного пьезоэффекта), было предложено вводить отрицательную обратную связь по вспомогательному каналу. Он создавался с помощью дополнительной системы электродов или дополнительного пьезоэлемента, располагаемого по отношению к основному пьезоэлементу планарно или компланарно.Один из вариантов пьезокерамического преобразователя с обратной связью, реализующего предложенный метод (рис.
6) [1, 2, 7], представляет собой замкнутую статическую следящую систему [8, 9] и состоит из пьезоэлемента (ПЭ) и согласующего усилителя напряжения (УН). На пьезоэлемент нанесены три электрода 1, 2 и 3, причем электрод 1 подключен к входу согласующего усилителя напряжения, электрод 2 – к общему проводу схемы, а электрод 3 (дополнительный электрод пьезоэлемента) – к выходу согласующего усилителя напряжения.В связи с тем, что электроды могут располагаться на различных гранях пьезоэлемента, обратная связь в этом случае названа пространственной. Передаточная функция такого устройства имеет вид:
(1)
где W1(р) – коэффициент передачи цепи прямого преобразования, не охваченной ОС; WПР(р) – коэффициент передачи цепи прямого преобразования, охваченной ОС; β(р) – коэффициент передачи цепи обратной связи.
Относительную погрешность устройства, изображенного на рис.6, можно определить по формуле [1, 2]:
(2)
где γW – относительная погрешность цепи прямого преобразования, охваченной ОС.
Из этого выражения нетрудно увидеть условие, при котором погрешность пьезодатчика с ОС будет равна нулю, т.е. γОС = 0:
(3)
Нужно отметить, что чувствительность датчика при выполнении этого условия уменьшится вдвое. Также в этом случае различное расположение векторов F, P, EВХ, ЕОС позволяет получить, например, для пьезоэлемента в форме параллелепипеда, десятки (!) вариантов датчиков с различными характеристиками.
Включение пьезоэлементов в схемы электрических фильтров
В основу создания таких датчиков положена идея о том, что если пьезоэлемент (пьезоэлементы) включить в схему электрического фильтра, то АЧХ датчиков будут соответствовать АЧХ фильтра [2, 7, 15]. Электрические фильтры достаточно хорошо изучены и описаны в литературе [12–14]. Они служат для выделения (или подавления) электрических напряжений или токов заданной частоты. В зависимости от характеристик известно несколько типов фильтров, из которых наибольший интерес для данного случая представляют фильтры нижних частот (ФНЧ) и фильтры верхних частот (ФВЧ) (рис.
7, [7]). ФНЧ пропускают колебания всех частот от постоянного тока до некоторой верхней граничной частоты ωв, а ФВЧ – колебания от некоторой нижней граничной частоты ωн до бесконечно высокой.
Недостатком этих датчиков является использование в некоторых схемах двух пьезоэлементов или пьезоэлемента и конденсатора. Для устранения этого недостатка в схемах датчиков предложено применять пьезотрансформаторы, т.е. пьезоэлементы с двумя системами электродов. Электроды на пьезоэлементе должны располагаться таким образом, чтобы вектор электрического поля между электродами находился под углом α к вектору поляризации (0<α≤90°), что позволяет получить на этих электродах напряжение, превышающее напряжение для традиционного случая, когда α=0 [7, 15] (рис.8).
Технология добавочных элементов
Суть этой технологии заключается в том, что к пьезоэлементу присоединяют дополнительные элементы, которые изменяют характеристики датчика. Здесь возможны как минимум два варианта. В первом случае, к пьезоэлементу механически присоединяется второй пьезоэлемент, металлическая пластина или ультразвуковой концентратор [1, 7].
Во втором случае, к пьезоэлементу электрически присоединяется емкость, индуктивность, колебательный контур, пьезоэлемент или его часть [1, 7, 22].
Два пьезоэлемента, соединенные между собой механически и электрически (симметричный биморфный пьезоэлемент), позволяют увеличить чувствительность в 10–20 раз и во столько же раз уменьшить резонансную частоту. Соединение пьезоэлемента с металлической пластиной (асимметричный биморфный пьезоэлемент) также на порядок увеличивает чувствительность и уменьшает резонансную частоту. В биморфных пьезоэлементах возникают изгибные колебания, что позволяет использовать их в микроэлектромеханических системах и устройствах (МЭМС), например, в сканерах наномикроскопов [17–19].
Присоединение ультразвукового концентратора к пьезоэлементу [20] увеличивает амплитуду колебательного смещения (или скорости), что дает возможность использовать такие устройства для ультразвуковой резки, мойки, распыления жидкости, а также в измерительных устройствах на основе резонансных пьезоэлементов [2, 7].
Не менее перспективно использование концентраторов для увеличения мощности ультразвуковых излучателей, а также полуволновых объемных резонаторов [22].
В связи с тем, что пьезоэлемент является электромеханическим устройством, которому соответствует электрическая цепь (в частном случае – последовательно-параллельный колебательный контур), подключение к нему электрических элементов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей) меняет характеристики преобразователей. Например, подключение последовательно с пьезоэлементом резистора уменьшает добротность пьезоэлемента и расширяет рабочую полосу частот [26, 27]. Включение емкости между входной и выходной системами электродов пьезотрансформаторного датчика также позволяет расширить рабочий диапазон частот [7]. Подключение индуктивности последовательно увеличивает уровень акустической мощности пьезоизлучателя, расширяет полосу пропускания датчика и т.д. [22]. Результаты исследований в этой области будут опубликованы в следующих номерах журнала.
Технология синтеза преобразователей, учитывающая форму входных сигналов
Изменение формы электрического сигнала, поступающего на преобразователь, может привести к изменению его технических характеристик. Например, если подать на электроакустический преобразователь электрическое напряжение в форме меандра, АЧХ такого преобразователя расширяется в сторону низких частот [27]. При подаче на пьезоэлемент одновременно двух сигналов могут быть получены новые свойства и функции преобразователя. Например, если подать на пьезоэлемент с двумя входами два сигнала синусоидальной формы, близкие к его резонансной частоте, может быть получен низкочастотный сигнал достаточно высокой мощности [23–25].
***
Итак, при использования описанных выше технологий из одного пьезоэлемента могут быть получены сотни (!) вариантов преобразователей с различными характеристиками, среди которых можно выбрать вариант с необходимыми или наилучшими характеристиками (повышение точности, стабильности, чувствительности, расширение рабочего диапазона частот и т.д.) Сегодня разработаны технологии проектирования (синтеза) преобразователей с использованием пространственной энергосиловой структуры, пространственной электромеханической обратной связи, пространственного расположения и коммутации электродов пьезоэлемента, технологии включения пьезорезонаторов и пьезотрансформаторов в схемы электрических фильтров и технологии присоединения к пьезоэлементу добавочных элементов и т.д. По результатам работ по этой тематике получено около 100 патентов СССР, РФ и Украины.
Литература
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики. – М.: Техносфера, 2006.
Sharapov V. Piezoceramic sensors. Springer Verlag, 2010.
Датчики./Под ред. В.М. Шарапова и Е.С. Полищука. – М.: Техносфера, 2012.
Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. – М.: Техносфера, 2005.
Кудряшов Э.А., Магер В.Е., Рафиков Ш.М. Поперечные пьезоэлементы для датчиков силы и давления. – Приборы и системы управления, 1989, №9, с.9–10.
Sharapov V., Vladisauskas, Bazilo K., Kunitskaya L., Sotula Zh. Methods of synthesis of piezoceramic transducers: spatial energy force structure of piezoelemеnt. – Ultrasound, 2009, №4(64), с.44–50.
Шарапов В.М., Минаев И.Г., Сотула Ж.В., Базило К.В., Куницкая Л.Г. Пьезокерамические трансформаторы и датчики./Под ред. В.М. Шарапова. – Черкаси: Вертикаль, 2010.
Макаров И.М., Менский Б.М. Линейные автоматические системы. Учебное пособие для вузов. – М.: Машиностроение, 1977.
Островский Л.А. Основы общей теории электроизмерительных устройств. – Л.: Энергия, 1971.
Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. – М.: Энергоиздат, 1989.
Минаев И.Г., Трофимов А.И., Шарапов В.М. К вопросу о линеаризации выходных характеристик пьезоэлектрических силоизмерительных преобразователей. – Изв. вузов СССР, Приборостроение, 1975,№ 3.
Джонсон Д., Джонсон Дж., Мур Г. Справочник по активным фильтрам. – М.: Энергоатомиздат, 1983.
Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. – М.: Мир, 1983.
Кауфман М., Сидман А.Г. Практическое руководство по расчетам схем в электронике. Справочник в 2 т., т.2. Пер. с англ. под ред. Ф.Н. Покровского. – М.: Энергоатомиздат, 1993.
Sharapov V., Kazys R., Vladisauskas A., Kunitskaya L., Sotula Zh., Тuz V., Bazilo K. Transducers with piezoelements in schemes of electric filters. – Ultrasound, 2010, №1(65).
Лавриненко В.В. Пьезоэлектрические трансформаторы. – М.: Энергия, 1975.
Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. – М.: Техносфера, 2004.
Sharapov V., Vladisauskas, Filimonov S. Bimorph cylindrical piezoceramic scanner for scanning probe nanomicroscopes. – Ultrasound, 2009, №4(64).
Sharapov V., Vladisauskas, Filimonov S. Piezoceramic scanners on the basis of planar bimorph piezoelements for scanning probe nanomicrockopes. – Ultrasound, 2010, №1(65).
Ультразвук. Маленькая энциклопедия./Под. ред. И.П. Голяминой – М.: Сов. энциклопедия, 1979.
Магнитные и диэлектрические приборы./Под ред. Г.В. Катца, ч.1. – М.: Энергия, 1964.
Шарапов В.М., Сотула Ж.В. Пьезоэлектрические электроакустические преобразователи. – Черкассы: Вертикаль, 2012.
Шарапов В.М., Сотула Ж.В., Куницкая Л.Г., Базило К.В. Об одном способе создания низкочастотных колебаний с помощью пьезокерамического излучателя. – Вісник Черкаського державного технологічного університету, 2010, №1.
Шарапов В.М. и др. Сумматоры на основе дискового мономорфного пьезотрансформатора. – Вісник Черкаського державного технологічного університету, 2009, №4.
Шарапов В.М. и др. Исследование пьезокерамического сумматора на основе биморфного пьезоэлемента. – Вісник Черкаського державного технологічного університету, 2009, №4.
Шарапов В.М., Балковская Ю.Ю., Мусиенко М.П. Линеаризация амплитудно-частотной характеристики пьезоэлектрических преобразователей с мономорфным или биморфным чувствительным элементом. – Вісник Черкаського державного технологічного університету, 2002, №1, с.41–45.
Sharapov V., Мusiyenko M., Sotula Zh, Kunitskaya L. About the effect of expansion of reproduced frequency band by еlectroacoustic transducer. – Ultrasound, 2009, №3(64), с.7–10.
Мэзон У. Пьезоэлектрические кристаллы и их применение в ультраакустике. – М.: Изд-во иностранной литературы, 1952.
Коржик А.В. Гидроакустические устройства на основе многомодовых пьезокерамических преобразователей. Дис. на соиск. учен. степени д-ра техн. наук. – НТУУ “КПИ”, Киев, 2011.
Евтютов А.П., Колесников А.Е., Корепин Е.А. и др. Справочник по гидроакустике. – Л.: Судостроение, 1988.
Пьезопреобразователи с генератором: Излучатели звука сирены
Вес
2.6г 2г 43г
Вид сигнала
3,3Гц, попеременно высокий/низкий попеременно высокий/низкий постоянный постоянный, попеременно высокий/низкий
Внешние размеры
14 x 14 x 7мм 17 x 17 x 7.5мм 44 x 40 x 56мм Ø41.8 x 16мм Ø42 x 26мм Ø43 x 29мм Ø43 x 32мм Ø54 x 41мм
Выводы
винтовые клеммы коннекторы 6,5мм провода
Высота
10мм 12.2мм 12мм 15мм 16мм 18мм 19.5мм 48мм 7.5мм 9.5мм
Диаметр
12мм 13.8мм 16мм 22.5мм 22.7мм 23.5мм 23.8мм 24мм 30мм 31мм 41.5мм 54.5мм 55мм
Диаметр монтажного отверстия
2мм
Длина
235мм 55мм
Емкость указана на частоте
500Гц
Материал корпуса
PPS
Материал ручки
полиамид сталь
Монтаж
SMD THT на панель
Погрешность резонансной частоты
±500Гц
Рабочая температура
-10…55°C -20…60°C -20…70°C -20…75°C -30…75°C
Рабочее напряжение
1.5…24В DC 1.5…30В DC 12В 12В DC 230В AC 24В DC 3…16В DC 3…20В DC 3…24В DC 3…28В DC 6…16В DC 8…16В DC
Рабочий ток
10мА 12мА 13мА 200мА 20мА 250мА 350мА 4мА 5мА 600мА 7мА 8мА
Размер передней части
200 x 120мм
Размеры
посмотрите
Расстояние между монтажными отверстиями
15мм 29.8мм 29мм 30мм 35.5мм 39мм 50мм
Резонансная частота
2.8кГц 2.9кГц 3.2кГц 3.3кГц 3.6кГц 3.7кГц 3кГц 4000Гц 4кГц
Резонансная частота макс.
3.5кГц 3.7кГц 3.8кГц 4кГц
Резонансная частота мин.
1.5кГц 2.7кГц 2кГц
Тип излучателя звука
излучатель звука пьезоэлектрический пьезоэлектрический звукоизлучатель пьезоэлектрический, излучатель звука пьезоэлектрический, сирена
Уровень звука
100дБ (d=0.1 м) 100дБ (d=1 м) 105дБ 105дБ (d=1 м) 110дБ (d=1 м) 120дБ 75дБ (d=0.3 м) 80дБ 80дБ (d=0.1 м) 80дБ (d=0.3 м) 80дБ (d=0.6 м) 83дБ 85дБ 85дБ (d=0.3 м) 90дБ 90дБ (d=0.3 м) 90дБ (d=1 м) 95дБ (d=0.3 м)
Характреные особенности
со встроенным генератором
Цвет корпуса
серый черный
Частота звука
3.4кГц 3кГц
Шаг выводов
15мм 7.6мм
Производитель
BESTAR DIGISOUND LOUDITY
Фильтровать
Пьезоэффект. Пьезопреобразователи – Справочник химика 21
из “Неразрушающий контроль Т3”
По измерениям А.Х. Вопилкина [232] при уменьшении величины д тип дифракции, отвечающий объемному дефекту, переходит в тип дифракции, соответствующий плоскостному дефекту. На рис. 1.31 показана зависимость отношения амплитуд первых двух эхосигналов АА на излучателе-приемнике от величины Сплошная линия – среднее значение экспериментальных данных, штриховые -среднее квадратическое отклонение значений. [c.53]Область I соответствует типу дифракции на объемном дефекте. Амплитуда волны обегания-соскальзывания значительно меньше зеркального отражения. Область III соответствует дифракции на плоскостном дефекте сигналы от обеих блестящих точек близки по амплитуде. Область II – промежуточная. [c.53]
Рефракция — это преломление волн. Применительно к УЗ-волнам под рефракцией понимают непрерывное изменение направления акустического луча в среде, скорость в которой изменяется. Рефракцию наблюдают, например, в аустенитном сварном шве (см. разд. 5.1.3.1) и при распространении волн в поверхностно закаленном слое (см. разд. 7.12). В последнем случае твердость материала с глубиной уменьшается, а скорость звука увеличивается. В результате наклонные к поверхности УЗ-лучи искривляются и даже выходят на поверхность ввода. Это явление используют для измерения глубины поверхностно закаленного слоя. [c.53]
Для излучения и приема упругих колебаний и волн применяют различные способы. Все они основаны на преобразовании энергии. В простейшем случае такое преобразование может происходить без изменения вида энергии например, возбуждение акустических импульсов в бетоне – ударом молотка. При этом кинетическая механическая энергия молотка преобразуется в механическую же энергию упругой волны. [c.53]
Однако чаше возбуждение и прием упругих колебаний сопровождается изменением вида энергии, например из электрической в механическую, и наоборот. В некоторых случаях используют многократные преобразования видов энергии. Так, при лазерном способе возбуждения УЗ электрическая энергия генератора импульсов преобразуется сначала в световую, затем в тепловую и, наконец, в механическую энергию упругих волн. [c.53]
Одни преобразователи (например, пьезоэлектрические) требуют наличия между ними и ОК промежуточной материальной среды (жидкости, слоя мягкого пластика, газа). Другие (лазерные излучатели и приемники УЗ, ЭМА-преобразова-тели) в такой среде не нуждаются и могут работать даже в вакууме. Классификация преобразователей по способам связи с ОК приведена в разд. 2.1.9. [c.54]
В отечественной литературе термин преобразователь имеет двоякий смысл. Наряду с рассмотренным активным элементом, в котором происходит сам процесс возбуждения или приема упругих колебаний, этот же термин применяют для обозначения законченного конструктивного узла аппаратуры, включающего в себя также дополнительные детали (корпус, провода, крепежные и монтажные детали и т.п.). [c.54]
Далее будут рассмотрены основные типы преобразователей, применяемых для излучения и приема упругих колебаний в акустических методах контроля и диагностики. [c.54]
Основные понятия. Наибольшее распространение в акустических методах неразрушающего контроля и диагностики получили пьезоэлектрические преобразователи. Они обратимы, т.е. используются как для излучения, так и для приема упругих колебаний и волн. Активным элементом преобразователя служит пьезоэлемент. В общем случае преобразователь может содержать один или несколько пьезоэлементов различной формы. [c.54]
Преобразователь как самостоятельный функциональный узел прибора обычно соединяют с электронным блоком гибким коаксиальным кабелем. В простейшем случае используют один пьезоэлемент, выполняемый в виде пластины из пьезоэлектрического материала. Для излучения упругих волн пьезоэлемент возбуждают электрическим напряжением генератора. Электрические сигналы, появляющиеся на пьезоэлементе при приеме упругих колебаний, подают на вход усилителя прибора. [c.54]
Обычно при УЗ-контроле применяют пьезопреобразователи с пьезоэлементом в форме пластины пьезопластины). Она имеет токопроводящие электроды на больших поверхностях. На электроды подают напряжение от генератора электрических колебаний или снимают сигналы, подаваемые на усилитель. [c.54]
Прямой пьезоэффект состоит в появлении электрических зарядов при деформации пьезоэлемента, а обратный – в его деформации под действием электрического поля. Таким образом, пластина излучает благодаря обратному пьезоэффекту, а принимает — благодаря прямому. [c.55]
Чтобы возбудить поперечные волны, можно заставить поверхности специально изготовленной пьезопластины колебаться в направлениях, перпендикулярных к ее толщине, т.е. совершать сдвиговые колебания (рис. 1.32, б). Но такие колебания трудно передать в ОК поверхность пластины будет проскальзывать относительно поверхности ОК и обычная контактная жидкость передать колебания не поможет. Преобразователь с такой пластиной приклеивают к поверхности ОК или используют очень вязкую контактную жидкость. [c.55]
В высокочастотной УЗ-дефектоско-пии применяют более удобный способ возбуждения поперечных волн. Продольную волну возбуждают в промежуточной среде – призме (чаще всего из плексигласа или другой пластмассы) и направляют на поверхность ОК наклонно. Угол падения выбирают между первым и вторым критическими значениями (см. разд. 1.1.4). В результате в изделии распространяется наклонная к поверхности вертикально поляризованная поперечная волна. Такой преобразователь называют наклонным. [c.55]
Дадим определения указанным в табл. 1.7 свойствам и поясним область их применения. [c.55]
Скорость звука (продольных волн) в направлении толщины пластины С] требуется для расчета толщины h пьезопластины, при которой пластина обладает резонансными свойствами. Если колебания в ненагруженной пластине возбудить коротким электрическим воздействием, а затем предоставить ей возможность колебаться свободно, то колебания будут происходить на собственных частотах, которые часто не вполне правильно называют резонансными. [c.55]
Под влиянием контактирующих с пластиной элементов эта частота немного изменяется. Частоту, которую возбуждает преобразователь, называют его рабочей частотой. Пьезоматериалы обладают анизотропией свойств, поэтому в других направлениях скорость продольных волн может отличаться от с. [c.56]
Значение Р зависит от материала и моды колебаний пьезопреобразователя. [c.57]
Недостатки некоторых пьезоматериалов (например, ЦТС) – большое значение и, соответственно, большая емкость пьезопластины. Это уменьшает чувствительность во время приема сигналов усилителем напряжения с высоким входным импедансом. Однако амплитуду сигнала можно существенно повысить применением усилителя тока с низким входным импедансом [185]. [c.57]
Если преобразователь раздельный, то пьезопластину приемника можно сделать из материала с малым г (например, сульфата лития, как это рекомендуется в США), а чувствительность увеличить путем использования предусилителя напряжения с очень высоким входным импедансом, расположенного как можно ближе к пьезоэлементу. Это исключает шунтирование малой емкости пьезоэлемента существенно большей емкостью кабеля и монтажа, что резко снижает уровень принимаемого сигнала. [c.57]
Вернуться к основной статье
Что такое пьезоэлектрический преобразователь?
Преобразователь – это любое устройство, используемое для преобразования энергии из одной формы в другую – обычно при преобразовании входной энергии в выходную. Чтобы преобразование произошло, также должно иметь место изменение одной формы энергии, например, преобразование механической энергии в электрическую или наоборот. Есть много типов преобразователей, и их использование широко распространено, оказывая на нас разное влияние. Типичным примером является микрофон, который преобразует входящую энергию – или звуковые волны, производимые голосом или инструментом – в выходную энергию или электрические импульсы в форме усиленного звука.
Другие типы электроакустических преобразователей (включая преобразование между электрической энергией и звуком) включают гидрофоны, которые преобразуют изменения давления воды в электрическую мощность, и звукосниматели на музыкальных инструментах, таких как гитары, которые преобразуют вибрацию струн инструмента в электрическую. импульс.
>> Магазин Преобразователи воздуха || Магазин ультразвуковых преобразователей <<
Что такое пьезоэлектрические преобразователи?
Пьезоэлектрические преобразователи – это тип электроакустических преобразователей, которые преобразуют электрические заряды, производимые некоторыми формами твердых материалов, в энергию.Слово «пьезоэлектрический» буквально означает электричество, вызванное давлением. Раннее применение технологии пьезопреобразователя произошло во время Первой мировой войны с использованием гидролокатора, который использовал эхо для обнаружения вражеских кораблей. Маленькие пьезопреобразователи также в основном присутствовали в стационарных телефонах. Они сидели внутри звонка и помогали создавать заметный шум, предупреждая людей о входящих звонках. Вдобавок пьезоэлектричество находит применение и в кварцевых часах, что и делает их такими точными.
Звоните сегодняПреимущества и ограничения пьезопреобразователей
Как и во всех других технологиях, тщательное взвешивание плюсов и минусов пьезоэлектрического преобразователя имеет большое значение для определения его эффективности в конкретной ситуации.
Некоторые преимущества, которые они имеют по сравнению с другими методами, включают:
- Самогенерирующиеся: из-за способности материалов создавать напряжение под воздействием некоторой энергии, схемы пьезопреобразователей не требуют внешнего источника питания.
- Доступность: схемы пьезоэлектрических преобразователей из-за их малых размеров и большого диапазона измерения просты в обращении, установке и использовании.
- Высокочастотная характеристика: гораздо более высокая, чем обычно, частотная характеристика означает, что параметры этих преобразователей быстро меняются.
- Гибкость: Благодаря тому, что большинству материалов, используемых в строительстве, можно придать различные формы и размеры, вы можете применять эти преобразователи в различных областях.
Какими бы полезными ни были пьезоэлектрические преобразователи, они также имеют свои ограничения, в том числе некоторые из следующего:
- Небольшой электрический заряд: хотя они могут генерироваться самостоятельно, вам потребуется кабель с высоким сопротивлением для установления соединения с электрическим интерфейсом.
- Влияет на различные окружающие среды и условия: пьезоэлектрические преобразователи не могут измерять выходной сигнал в статических условиях, а колебания температуры и влажности могут влиять на выходной сигнал.
- Естественно низкая производительность: несмотря на то, что производительность некоторых материалов относительно выше, чем у их аналогов, производительность во многих отношениях остается низкой. Вам нужно будет подключить его к внешней цепи.
Колебание пьезоэлементов начинается при приложении переменного напряжения.Их невероятно быстрый отклик – в диапазоне микросекунд и ниже – позволяет им использоваться в широком диапазоне приложений, включая генерацию ультразвука с частотами вплоть до 20 МГц.
Из-за их чрезвычайной чувствительности к пьезоэлектрическому эффекту можно создавать пьезопреобразователи для различных применений, от датчиков до генерации ультразвуковой энергии. Это включает более высокие плотности энергии и частоты в диапазоне от 20 до 800 кГц.
В этом диапазоне частот и амплитуд пьезопреобразователи, вырабатывающие ультразвуковую энергию, отлично подходят для различных медицинских и промышленных процессов. В секторе здравоохранения эти применения варьируются от удаления зубного налета до ультразвукового дробления камней в почках. В промышленных условиях пьезоэлектрические преобразователи идеально подходят для использования в различных процессах соединения, очистки и сварки.
Различные режимы пьезопреобразователейНекоторые физические величины, такие как сила и напряжение, трудно измерить напрямую.В этих случаях выходные напряжения пьезоэлектрического преобразователя прямо пропорциональны любым напряжениям и / или силам, которые прилагаются к пьезоматериалу. С помощью различных режимов измерения преобразователя можно настроить шкалу для эффективного и точного измерения приложенной силы или напряжения.
Однако следует отметить, что, поскольку выходное напряжение материалов, подвергающихся пьезоэлектрическому эффекту, относительно низкое при высоком импедансе, пьезопреобразователям часто требуется какой-либо усилитель или вспомогательная схема для эффективной работы.
Детали и функции преобразователя
Хотя многие материалы могут демонстрировать пьезоэлектрический эффект, лучшие из них также должны обладать по крайней мере некоторыми из наиболее желаемых качеств. К таким характеристикам относятся постоянная стабильность, высокая производительность, пластичность и устойчивость к экстремальным температурам и влажности. Тем не менее, ни один известный материал не демонстрирует все эти качества одновременно.
Первоначально кристаллы, сделанные из кварца, стали основным материалом для пьезоэлектрических преобразователей.Кварц обеспечивает превосходную стабильность и медленное измерение при различных параметрах из-за низкой скорости утечки, что означает, что он может обеспечить отличную точность – вот почему часы чаще всего их используют. Хотя кварц все еще широко используется, он также дает довольно низкий выход, а это означает, что он не может адекватно соответствовать требованиям более сложных технологий.
В начале 1950-х годов кристаллы кварца начали уступать место пьезоэлектрической керамике в качестве основного материала преобразователя. Преимущества, предлагаемые керамическим преобразователем по сравнению с другими материалами, включают способность керамики изготавливаться самых разных форм и размеров, способность эффективно работать при низком напряжении и способность работать при температурах до 300 градусов Цельсия.
Типы преобразователей
Благодаря возможности производить керамические преобразователи различных размеров и форм, керамические преобразователи могут быть легко адаптированы к широкому спектру промышленных применений. Следовательно, они позволяют выполнить полную настройку в соответствии с конкретными потребностями клиента. Сегодня наиболее часто используемыми материалами для изготовления керамических преобразователей являются композиции цирконата и титаната свинца, и эта тенденция восходит к 1960-м годам. Поскольку технология керамических преобразователей продолжает развиваться, использование пьезополимеров и композитов также получило признание.
Еще один материал, который невероятно хорошо работает в преобразователях, – это Рошельская соль, представляющая собой синтетический кристалл. Из всех сред, проявляющих признаки пьезоэлектрического эффекта, соль Рошеля дает самый высокий выход из всех обнаруженных до сих пор материалов. Однако у него есть свои недостатки, которые могут сдерживать его успех в определенных условиях. Эти синтетические кристаллы не контактируют с влагой и не могут использоваться при температуре выше 115 градусов по Фаренгейту.
Если вы готовы пойти на компромисс между чувствительностью и пиковой мощностью, синтетические кристаллы могут дать явное преимущество по характеристикам по сравнению с натуральными кристаллами.
Как измерить КПД пьезопреобразователя
Одним из способов измерения эффективности преобразователя является сравнение количества входящей энергии с выходной энергией. Каждый раз, когда происходит преобразование энергии, некоторое количество энергии будет потеряно во время процесса. В общем, чем больше количество произведенной выходной энергии по отношению к входящей энергии, тем выше уровень эффективности.
Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь
Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь генерирует ультразвуковую активность, то есть измеряет давление звуковых волн выше частот, которые может слышать человеческое ухо. Он функционирует, быстро расширяясь и сжимаясь при подаче соответствующей электрической частоты и напряжения. Обычно используемые в системах очистки, расширение и сжатие заставляют диафрагму преобразователя ультразвукового очистителя, которая служит чувствительным к давлению элементом устройства, вибрировать, вызывая в процессе ультразвуковую активность в резервуаре для очистки.Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь также предлагает преимущества высокой электроакустической эффективности при минимальном тепловыделении.
Применение и использование электрических преобразователей
Пьезоэлектрические преобразователимогут использоваться во многих приложениях, в которых электроэнергия используется в промышленности, окружающей среде и в личных целях. Например, датчики воздуха часто используются в автомобилях, датчиках приближения и уровня – подумайте об автоматических раздвижных дверях, с которыми вы сталкиваетесь в продуктовых магазинах, аэропортах и отелях.Они обычно используются в бытовых изделиях, таких как детекторы движения и объектов, средства для отпугивания вредителей и домашняя сигнализация. Они обычно используются в бытовых изделиях, таких как детекторы движения и объектов, средства для отпугивания вредителей и сигнализация домашней безопасности.
Производители внедряют их и в обычные электронные устройства, такие как игрушки, игры и пульты дистанционного управления. Вы также найдете их в струйных принтерах, электрических зубных щетках и зуммера.
APC International, Ltd.- Первое, что нужно для пьезоэлектрического оборудованияВ APC International, Ltd. мы на собственном опыте знаем, как прислушиваться к потребностям наших клиентов, чтобы наша роль надежного поставщика пьезокерамики и устройств превратилась в надежного партнера. Вот почему, находитесь ли вы на первых этапах проектирования прототипа или вам нужно массовое производство критически важных компонентов, наш опытный персонал и современное производственное оборудование готовы предоставить вам пьезоизделия и услуги, которые вам необходимы. ожидайте от лидера отрасли.
Есть вопросы о пьезопреобразователях или других пьезоматериалах? Свяжитесь с нами или позвоните нам по телефону (570)726-6961, чтобы узнать больше.
Производитель пьезоэлектрических преобразователей – Поставщик пьезопреобразователей
Формы Дисковые пьезоэлектрические преобразователиПьезоэлектрические преобразователи в форме диска представляют собой круглые пьезоэлементы, которые часто используются в автомобильных функциях, производстве и усилении звука, измерении уровня жидкости и жидкости и ультразвуковые аппликации.В качестве пьезопреобразователей диски используются в автомобильной, промышленной, коммерческой и ультразвуковой областях для обнаружения изменений и выполнения регулировок. Узнайте больше о дисковых пьезопреобразователях здесь.
Ленточные пьезоэлектрические преобразователиПьезоэлектрические преобразователи в форме ленты представляют собой тонкие кусочки активного пьезоэлектрического материала, соединенные с пассивным слоем. Пьезоэлектрические преобразователи изгиба ленты имеют либо один активный пьезоэлектрический слой, либо два активных пьезоэлектрических слоя, которые изгибаются и сжимаются для создания отклонения.Полосовые пьезоэлектрические преобразователи обычно используются в системах управления клапанами и насосами, акселерометрах, сенсорных переключателях / элементах управления и точном оборудовании. Узнайте больше о ленточных пьезопреобразователях здесь.
Кольцевые пьезоэлектрические преобразователиПьезоэлектрические преобразователи в форме кольца используются для обнаружения изменений вибрации или давления и генерирования полезного электрического выходного сигнала. Кольцевые пьезоэлектрические преобразователи часто используются в ультразвуковых и медицинских устройствах, например, в стоматологическом оборудовании для чистки зубов и в машинах для дозирования лекарств.Узнайте больше о кольцевых пьезопреобразователях здесь.
Трубчатые пьезоэлектрические преобразователиПьезоэлектрические преобразователи в форме трубы также известны как пьезоэлектрические цилиндры. Трубчатые пьезодатчики часто используются для измерения и регулировки расхода и уровня, сканирующей микроскопии и микродозирования, которые обычно используются в промышленной и коммерческой отраслях. Узнайте больше о ламповых пьезопреобразователях здесь.
Биморфные пьезоэлектрические преобразователиБиморфные пьезоэлектрические преобразователи состоят из двух активных пьезоэлектрических слоев, часто связанных с металлической подложкой.Эта подложка действует как пассивный слой между двумя активными слоями пьезоэлектрических элементов, позволяя одному пьезоэлектрическому слою сжиматься, в то время как другой пьезоэлектрический слой расширяется при получении механического или электрического сигнала. Это вызывает изгибающее движение, которое может либо выполнять желаемую задачу, либо генерировать читаемый электрический выходной сигнал. Узнайте больше о биморфных пьезопреобразователях здесь.
Пьезоэлектрические преобразователи UnimorphПьезоэлектрические преобразователи Unimorph состоят из одного активного пьезоэлектрического слоя, часто прикрепленного к пассивной металлической подложке.Униморфы деформируются в одном направлении при активации электрическим или механическим входом и могут производить электрический или механический выходной сигнал в зависимости от полученного входного сигнала.
Пластинчатые и блочные пьезоэлектрические преобразователиПьезоэлектрические преобразователи в форме пластины или блока обычно используются для измерения и регулировки вибрации и давления. Пластинчатые и блочные пьезопреобразователи часто используются в ультразвуковых устройствах и акселерометрах в различных отраслях промышленности, таких как аэрокосмическая, автомобильная и медицинская.Узнайте больше о пластинчатых и блочных пьезопреобразователях здесь.
| |
| ||
Ультразвуковые пьезопреобразователи для интеллектуальных датчиков движения и звука
Пьезоэлектрические преобразователи основаны на электрокерамических материалах, которые преобразуют механическую энергию в электрическую и наоборот.Есть два эффекта: при приложении силы генерируется электрический заряд (прямой пьезоэффект), а при приложении электрического поля происходит изменение размеров (обратный пьезоэффект). В то время как обратный пьезоэффект может использоваться для приложений управления движением, прямой пьезоэффект или комбинация обоих эффектов пригодны для изготовления датчиков.
Без износа
Пьезоэффект основан исключительно на перемещениях внутри кристаллической решетки пьезоэлемента и не подвержен механическому трению или износу.Он также очень чувствителен – малейшие деформации вызывают измеримое смещение заряда, а потенциальные изменения величиной в микровольтах могут вызывать субнанометрическое движение – в конце концов, атомно-силовые микроскопы используют пьезоэффект. Это открывает множество потенциальных приложений, включая ультразвуковые датчики, датчики силы или ускорения, а также сложные адаптивные системы.
Генерация и обнаружение ультразвука, например, является классическим приложением пьезоэлементов, потому что переменное напряжение заставляет пьезоэлементы колебаться.Возможны частоты колебаний до 20 МГц. Ультразвук – это звук, превышающий диапазон слышимости человека, обычно начинающийся с частот выше 20 кГц. Этот частотный диапазон используется для многих целей в промышленности, медицинской технике и исследованиях. Приложения ультразвукового пьезопреобразователя включают измерение расстояния, распознавание объектов, измерение уровня заполнения или расхода, испытания материалов с высоким разрешением, а также медицинскую диагностику и терапию.
Гибкость по частоте и геометрии
Чтобы адаптировать датчики к различным приложениям, производителям необходимо иметь возможность изменять состав пьезоэлементов и механическую конструкцию – начиная с пьезопорошка и сохраняя полный контроль над всеми этапами производства, позволяя создавать полностью индивидуализированные компоненты, узлы и системы.Существует две основных классификации: сенсорные приложения для частот до 20 МГц и мощный ультразвук с гораздо более высокой плотностью энергии.
С мощным ультразвуком пьезоэлементы выполняют значительную механическую работу – например, дробят камни в почках или удаляют зубной налет, обеспечивают механическую энергию для ванн ультразвуковой очистки, а также для промышленной сварки и склеивания. Типичные частоты мощного ультразвука составляют от 20 до 3000 кГц.
Фиг.1: Разнообразие стандартных элементов пьезопреобразователя, каждый из которых подходит для конкретного применения: трубки, диски, гибочные устройства, преобразователи сдвига или трансляторы.В дополнение к выбору материала для соответствующего применения может быть реализовано большое разнообразие геометрических форм и резонансных частот (Рис. 1). Для эффективной работы производителя комплектного оборудования стандартные компоненты, такие как пьезокерамические кольца, пьезотрубки и срезные элементы, необходимо иметь в наличии или предоставлять в кратчайшие сроки на основе полуфабрикатов.
Для измерения расхода, уровня наполнения, силы или ускорения индивидуальные компоненты датчика должны быть легко интегрированы в соответствующее приложение.
Измерение уровня
Ультразвуковые пьезопреобразователи обычно используются для измерения уровня заполнения (рис. 2). Здесь измерение задержки ультразвука использует как прямой, так и обратный пьезоэффект. Пьезоэлектрический преобразователь размещается за пределами обнаруживаемой среды и работает как передатчик и приемник.Он излучает ультразвуковой импульс, который отражается наполнителем. Время распространения – это мера расстояния, пройденного в пустой части контейнера, и обратно пропорциональна уровню заполнения. Этот принцип позволяет проводить бесконтактные измерения как жидкостей, так и твердых веществ, например, в бункерах для пищевых продуктов или материалов. Точность зависит от отражательной способности соответствующей поверхности.
Рис. 2: Измерение уровня заполнения – типичное приложение для оценки времени распространения.Пьезоэлементы, размещенные на разной высоте в погружных преобразователях или камертонных датчиках, также могут использоваться в качестве реле уровня в контейнерах (рис. 3). Пьезопреобразователи возбуждают камертон на собственной частоте.
Когда он входит в контакт со средой, возникающий сдвиг резонансной частоты регистрируется электронной схемой. Этот метод очень надежен и полностью не зависит от типа наполнителя.
Рис. 3: Пример камертона с пьезоэлектрическим возбуждением для реле уровня заполнения.Обнаружение пузырьков воздуха и измерение потока
При мониторинге систем дозирования и наполнения часто необходимо обеспечить непрерывный поток без пузырьков воздуха или газа. Это особенно важно в высокочувствительных медицинских приложениях, таких как диализ или переливание крови. Это достигается с помощью ультразвуковых детекторов пузырьков. Пьезоэлементы в этих датчиках служат для генерации и обнаружения ультразвуковых волн. Датчики устанавливаются снаружи трубок и работают без контакта с транспортируемой средой.Это не влияет на скорость потока и опасность загрязнения.
Аналогичные преимущества имеют измерение расхода. Это основано на разнице во времени при попеременной передаче и приеме ультразвуковых импульсов в направлении потока и против него (рис. 4).
Рис. 4: Обнаружение пузырьков – ультразвуковое измерение расхода основано на попеременной передаче и приемеультразвуковых импульсов в направлении потока и в противоположном направлении.
Здесь два пьезопреобразователя, работающие как передатчик, так и как приемник, расположены по диагонали к направлению потока. При использовании принципов эффекта Доплера оценивается фазовый и частотный сдвиг ультразвуковых волн, которые рассеиваются или отражаются жидкими частицами. Сдвиг частоты между отраженной волной, излучаемой спереди и принимаемой одним и тем же пьезоэлектрическим преобразователем пропорционален скорости потока.
Датчики ускорения
Пьезоэлектрические датчики ускорения работают на более низких частотах, чем большинство ультразвуковых преобразователей.В их основе лежит пьезоэлемент, связанный с инертной сейсмической массой. Когда происходит ускорение, инертная масса усиливает механическую деформацию пьезодиска, увеличивая измеряемое электрическое напряжение, создаваемое пьезоэффектом.
Эти высокодинамичные датчики обнаруживают ускорения в широком диапазоне частот с почти линейной характеристикой во всем диапазоне измерения. Они обеспечивают высокое разрешение и доступны для сил растяжения, давления и сдвига.
Технология адаптивных систем
С патч-датчиком DuraAct (рис.5), разработанное Physik Instrumente (PI), в настоящее время коммерчески доступно очень универсальное пьезоэлектрическое устройство, которое находит применение в промышленности и исследованиях. Тонкие и легкие преобразователи могут быть интегрированы в конструкцию или просто приклеены к поверхности. Особый метод изготовления делает керамику чрезвычайно гибкой, что позволяет прикреплять ее к движущимся конструкциям, где она деформируется и тем самым генерирует перенос заряда.
Рис. 5: Датчик, привод или оба: пьезоэлементы DuraAct.В технологии адаптивных систем изгибаемый преобразователь используется как в качестве датчика, так и в качестве исполнительного механизма. Эти системы измеряют мешающие вибрации и одновременно компенсируют их. Другое приложение – мониторинг состояния конструкций – включает создание вибраций и измерение их распространения через твердые конструкции. Измененный характер колебаний показывает разрушения конструкции еще до возникновения трещин, например, в деталях машин, мостах и крыльях самолетов.
В основе преобразователя лежит пьезокерамическая пленка с электропроводящим слоем, нанесенным на каждую сторону.Затем эта конструкция заделывается в гибкую полимерную ленту. У этой конструкции множество преимуществ: пьезокерамика электрически изолирована, механически предварительно нагружена, а из в основном хрупкой керамики создается блок, который настолько прочен, что может быть прикреплен к поверхностям с радиусом изгиба всего 20 мм ( Рис.6).
Рис. 6. Радиусы изгиба до 20 мм могут быть легко достигнуты с помощью патч-преобразователей DuraAct.Преобразователи для гидроакустики и гидролокатора
Гидролокатор (звуковая навигация и определение дальности) является морским аналогом радара; однако он заменяет радиоволны звуковыми волнами, что объясняет, почему его иногда также называют эхолотом.Здесь используются мощные пьезопреобразователи для генерации ультразвуковых звуковых волн, которые отражаются от рыбы, предметов, судов или дна океана. Опять же, электроника преобразует задержанные сигналы в такую информацию, как расстояние, размер и форма. Помимо измерительных приложений, гидроакустические пьезопреобразователи также могут использоваться для подводной связи. Здесь используется разнообразный диапазон пьезоэлементов, с компактными дисками или пластинами в нижней части спектра, а также уложенная друг на друга пьезокерамика и полные массивы преобразователей для высокопроизводительных приложений.
Рис. 7: Гидроакустический пьезопреобразовательдля гидролокаторов.
Универсальность
Пьезокерамические преобразователи, используемые в ультразвуковых датчиках и устройствах питания, становятся все более важными для выполнения критических механических операций, таких как медицинская техника, сварка, а также измерения расхода и уровня. Они доказали свою универсальность в широком спектре приложений. По мере того, как исследования пьезоизлучения расширяют формы, размеры, возможности и ассортимент пьезокомпонентов, они будут продолжать расширять возможности использования пьезо-ультразвука в различных отраслях промышленности.
Об авторах
Франк Мёллер – менеджер по продажам в PI Ceramic, в Ледерхозе, Германия. Он имеет степень магистра физики и 25-летний опыт производства пьезокерамики и электрокерамики.
Стефан Ворндран – вице-президент по маркетингу и тактической инженерии в PI (Physik Instrumente) LP. Он имеет степень магистра в области электротехники и обладает более чем 25-летним опытом работы с приложениями для нанопозиционирования и пьезодвижения.
Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.
Настройка вашего браузера для приема файлов cookie
Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:
- В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
- Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
- Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
- Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
- Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.
Почему этому сайту требуются файлы cookie?
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.
Что сохраняется в файле cookie?
Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.
Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.
Понимание и использование пьезопреобразователя
В этом посте мы пытаемся исследовать, что такое преобразователи и как они должны быть сконфигурированы в схемах при их использовании в данном приложении
Понимание пьезопреобразователей
Пьезоэлектрический преобразователь – это устройство, которое в основном используется для преобразования применяемой частоты в слышимый звук.Его можно сравнить с громкоговорителем, разница лишь в управляемости и принципах работы.
Динамик используется для обработки мощных звуковых частот и может точно воспроизводить то, что подается на вход.
Однако пьезоэлектрический преобразователь может быть не таким эффективным, как громкоговоритель, с мощностью и качеством вывода, но есть несколько особенностей, которые делают эти устройства выдающимися.
Пьезоэлектрический преобразователь особенно подходит для генерации очень высокого звука на выходе, что динамик может быть не в состоянии сделать.
Кроме того, пьезоэлектрический преобразователь дешев, очень компактен и изящен и не требует сложных схем для работы.
Таким образом, в основном они используются для воспроизведения высоких нот, используемых в музыкальных рожках, предупреждающих устройствах и т. Д.
Общие характеристики (использование в качестве звукового генератора)
Пьезопреобразователь имеет круглую форму с металлическим основанием, пьезопреобразователи диаметром 27 мм более популярны.
Примерно в 3 мм от внешней периферии внутренний пьезо материал нанесен на металлическую основу пьезо.
Этот материал очень уязвим, особенно при пайке на них проводов.
В основном это двухконтактные и трехконтактные типы. Металлическое основание используется в качестве клеммы заземления, а внутреннее покрытие из поэзо-материала становится положительной клеммой.
Для трехконтактного типа внутренний пьезоматериал состоит из небольшого дискретно разделенного пьезоэлемента, который становится третьим контактом и ведет себя в основном как элемент обратной связи.
Вышеупомянутый трехконтактный пьезоэлектрический преобразователь может также использоваться в двухпроводном преобразователе, где третий центральный контакт обратной связи не используется.
Внешняя частота от пьезодрайвера прикладывается к металлическому основанию и внутреннему пьезо материалу, пьезоэлемент затем начинает вибрировать на уровне приложенной частоты, генерируя высокий звук.
Однако этот звук может быть очень незначительным и низким, если пьезоэлемент не закреплен на специальном пластиковом корпусе с центральным отверстием.
Размер отверстия имеет значение и не должен быть больше 8 мм в диаметре или меньше 6 мм в диаметре.
Пластиковый корпус должен быть таким, чтобы пьезоэлемент приклеивался клеем на подъемную платформу всего на пару мм выше основания корпуса, которое состоит из вышеупомянутого отверстия.
Выступающая часть должна быть шириной всего 2 мм и едва поддерживать периферийный край пьезо.
Вся процедура установки (установки) была объяснена в этой простой статье о схеме зуммера.
Технические характеристики – Принцип действия пьезоэлектрического преобразователя
Как мы знаем, пьезоэлектрический преобразователь преобразует механическую силу в эквивалентные электрические импульсы, проходящие через выводы корпуса. Приложение этой механической силы к пьезоматериалу может иметь следующие 3 основных вида:
- Поперечное
- Продольное
- Сдвиг.
Поперечный эффект
В этом ударе давление сокращается вдоль нейтральной оси (y), перемещая заряды в направлении (x), перпендикулярном силовой линии. Величина или уровень создаваемого заряда (Cz) зависит от геометрических характеристик пьезоэлектрического материала. Если мы возьмем a, b, d в качестве размеров, мы получим:
C z = d xy F y b / a
, где a – размер поперек нейтральной оси, b лежит на линии, генерирующей заряд, а d соответствует пьезоэлектрическому коэффициенту.
Продольный эффект
В этом ударе величина переносимого заряда точно эквивалентна приложенной силе. Однако это не зависит от пьезоэлектрических размеров.
Единственный способ увеличить выход заряда пьезоэлектрического элемента – это механически соединить многие из этих устройств последовательно или сложить одно над другим, но электрически соединить параллельно. Сгенерированный заряд можно рассчитать по следующей формуле:
C x = d xx F x n
Где d xx обозначает пьезоэлектрический коэффициент для заряда в направлении x, произведенного напряжением или силой, приложенной в том же направлении.F x представляет силу, приложенную в направлении x, а n представляет количество пьезоэлементов, установленных друг над другом.
Эффект сдвига
При этом ударе генерируемые заряды точно эквивалентны приложенной силе, но не зависят от размеров пьезо. Когда n преобразователей уложены последовательно один над другим и электрически соединены параллельно, величина заряда может быть рассчитана с помощью следующего уравнения:
C x = 2d xx F x n
Только поперечный эффект имеет регулируемую чувствительность к приложенной силе к пьезоматериалу, которая недоступна для результатов продольного и поперечного эффекта.
Пьезоаудиопреобразователь | OUT102 | Research
Пороговое значение для OUT102 определяется регулировкой регулировки амплитуды на модуле STM100C; Пьезоэлектрический преобразователь OUT102 может быть подключен непосредственно к выходу 50 Ом модуля стимулятора STM100C. Когда выходное напряжение модуля стимулятора STM100C превышает 1,5 В, пьезоиндикатор OUT102 издает постоянный звуковой сигнал (3,0 кГц при 80 дБ).
- Соответственно, устройство очень полезно для подачи звукового стимула или тревоги, когда физиологический сигнал превышает определенный порог.Таким образом, OUT102 является отличным звуковым индикатором BPM для сигналов ЭКГ, артериального давления или дыхания.
- Конкретный контролируемый сигнал усилителя биопотенциала или преобразователя можно записать, одновременно направляя его через модуль STM100C.
Устройство также можно использовать для индикации того, когда температура или другая медленно изменяющаяся переменная (например, электродермальная реакция) превышает определенный порог.
- Для работы, как описано здесь, усилитель источника должен быть установлен на канал 26, STM100C настроен на вход канала 26, а сигнал источника должен быть в состоянии достигать не менее +1.5 В амплитуды. Усиление сигнала источника обычно можно в достаточной степени отрегулировать с помощью переключателя усиления на модуле усилителя источника. Регулировка амплитуды STM100C может использоваться для ослабления сигнала источника, если требуется, чтобы помочь активировать пьезоэлектрический преобразователь только на нужных участках сигнала источника.
OUT102 также подключается непосредственно к цифровым портам ввода / вывода UIM100C для работы с выходами канала управления. В комплект входит адаптер для подключения OUT102 к цифровым портам ввода / вывода UIM100C.При такой настройке во время сбора данных уровень стимула и время будут отображаться на записи.
- Прилагаемый разветвитель (монофонический штекер CBL212 3,5 мм на два монофонических гнезда 3,5 мм) и соединительный кабель (моно штекер CBL100 3,5 мм на монофонический штекер 3,5 мм) позволяют направлять аналоговый сигнал привода в два места.
