Diese Konverter gehören zu einer Untergruppe der Generatoren, sie basieren auf mechanisch akkumulierten elektrischen Ladungen. Als Ergebnis wird folgender Zusammenhang unterschieden: Q=d P. Dabei ist d der Piezomodul und P die Kraft. Das Material ist in der Regel Quarz, Turmalin, Glühmischungen, Barium, Blei. Um einen piezoelektrischen Wandler zu entwerfen, ist es notwendig, Lastmuster zu verwenden: Kompression, Biegung, Scherung, Zug.
Direkter und umgekehrter piezoelektrischer Effekt
Die direkte Wirkung zeichnet sich durch folgendes aus: Das verwendete kristalline Material bildet durch geladene Ionen, die in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind, ein Gitter. Dabei wechseln sich ungleiche Teilchen ab und kompensieren sich gegenseitig, wodurch elektrische Neutralität entsteht. Kristalle haben Merkmale, die wie folgt angegeben sind:
- Symmetrie bezüglich der Achse;
- Betrachtet man die vorherige Ansicht, erscheint ein Gitter mit Ionen, die sich abwechseln und kompensieren.
Wenn das im Prozess verwendete Material auf die Kraft Fx gerichtet ist, dann esverformt wird, ändert sich der Abstand zwischen den positiven und negativen Ladungen und die Richtung in der gegebenen Achse wird elektrifiziert. All dies wird in der Formel q=d11Fx ausgedrückt und ist proportional zur Kraft. Der Koeffizient ist mit der Substanz und ihrem Zustand verbunden, sie hat einen Namen - das piezoelektrische Modul. Die Indizes werden durch Stärke und Kante bestimmt, aber wenn Sie die Richtung ändern, wird der Effekt anders sein.
Der piezoelektrische Wandler im Direktverfahren elektrisiert die Kristalle unter Einwirkung äußerer Kräfte. Dieser Effekt tritt unter dem Einfluss von Stoffen auf, die Elektriker sind. Um Messgeräte herzustellen, benötigen Sie Quarzkristalle. Das heißt, das Funktionsprinzip des piezoelektrischen Wandlers ist wie folgt: Bei einer direkten Wirkung wird die Aktion durch Mechanik ausgeführt, und bei der Umkehrung werden Kristalle verformt.
Zusätzliche Piezo-Effekte
Kristall kann polarisiert werden, wenn die Platte X-, Y-Achsenkräften ausgesetzt wird. Fy – transversal, mit Fz fallen keine Gebühren an. Der Quarzkristall befindet sich auf drei Koordinatenachsen. Um piezoelektrische Wandler zu verwenden, ist es notwendig, eine Platte zu schneiden, die den Effekt anzeigt. Es hat die folgende Beschreibung:
- hochfest;
- Spannung zulässig bis 108 N/m2, dadurch große messbare Kräfte möglich;
- Steifigkeit und Elastizität;
- minimale Reibung innen;
- Stabilität,was sich nicht ändert;
- Maximaler Qualitätsfaktor des gefertigten Materials.
Quarzplatten werden nur in Wandlern verwendet, die Druck und Kraft messen. Aufgrund der Härte des Materials ist es schwierig zu verarbeiten, sodass daraus eine einfache Form entsteht. Der Modul ist bei konstanter Temperatur konstant. Wenn es zunimmt, dann gibt es in diesem Fall eine Abnahme des Moduls. Die piezoelektrischen Eigenschaften verschwinden bei 573 Grad Celsius.
Gerätebeschreibung und Messkreise
Piezoelektrischer Druckaufnehmer hat folgenden Aufbau:
- Membran, die der Boden des Gehäuses ist;
- die äußere Auskleidung ist geerdet und die mittlere ist mit Quarz isoliert;
- Platten hochohmig, parallel gesch altet;
- die Folie und die innere Ader des Kabels sind in einem durch einen Deckel verschlossenen Loch befestigt.
Die Ausgangsleistung ist minimal, diesbezüglich ist ein Verstärker mit großem Widerstand vorgesehen. Die Spannung hängt im Wesentlichen von der Kapazität des Eingangskreises ab. Die Eigenschaften des Wandlers zeigen Empfindlichkeit und Kapazität an. Grundsätzlich ist dies die Ladung und die eigenen Indikatoren des Geräts. Zusammengerechnet ergibt sich folgende Ausgangsleistung: Sq =q/F bzw. Uxx=d11 F/Co.
Um den Frequenzbereich zu erweitern, ist es notwendig, die gemessenen niedrigen Größen in Richtung einer konstanten Zeitsch altung zu erhöhen. Das geht ganz einfach durch Einsch altenKondensatoren, die sich parallel zum Gerät befinden. In diesem Fall nimmt jedoch die Ausgangsspannung ab. Der erhöhte Widerstand erweitert den Bereich ohne Empfindlichkeitsverlust. Aber um ihn zu erhöhen, sind verbesserte Isolationseigenschaften und Verstärker mit einem hochohmigen Eingang erforderlich.
Beschreibung der Messkreise
Spezifischer und Oberflächenwiderstand bestimmen sich selbst, und die Hauptkomponente für Quarz ist höher, daher muss der piezoelektrische Wandler versiegelt werden. Dadurch wird die Qualität verbessert und die Oberfläche vor Feuchtigkeit und Schmutz geschützt. Als hochohmige Verstärker wurden Sensormesssch altungen geschaffen, die auf einer Feldeffekttransistor-Endstufe und einem nicht invertierenden Verstärker mit Vorsch altgerät basierten. Ein- und Ausgang werden mit Spannung versorgt.
Dieser ver altete piezoelektrische Wandler hatte jedoch Mängel:
- Abhängigkeit von Ausgangsspannung und Empfindlichkeit in Abhängigkeit vom Sensorvolumen;
- instabile Kapazität, die sich aufgrund von Temperaturbedingungen ändert.
Die Spannung des Verstärkers und die Empfindlichkeit werden durch den zulässigen Fehler bestimmt, wenn die mitgelieferte stabile Lautstärke mit C1 ergänzt wird. Formel: ys=(ΔCo + ΔCk)/(Co+Ck +C1). Nach der Transformation erh alten wir: S=Ubx/F. Wenn der Koeffizient zunimmt, bzw. und diese Variablen zunehmen. Der Messkreis ist gekennzeichnet durch:
- konstante Zeitachse;
- Widerstand R wird bestimmt durch Eingangsverstärkung, Isolierung von Sensoren, Kabeln und R3;
- MOS-Transistoren sind stärker als Feldgeräte, haben aber einen hohen Rauschpegel;
- R3 stabilisiert die Spannung, ihr Wert wird berechnet als ~ 1011 Ohm.
Wenn wir die letzte Variable analysieren, können wir annehmen, dass die konstante Zeitlinie wie folgt ist: t ≦ 1c. Heutige Geräte können piezoelektrische Sensoren mit Spannungsverstärkern zum Aufladen verwenden.
Gerätevorteile
Der piezoelektrische Wandler hat folgende Vorteile:
- leichter Aufbau;
- Abmessungen;
- Zuverlässigkeit;
- Umwandlung mechanischer Spannung in elektrische Ladung;
- Variablen, die schnell gemessen werden können.
Bei einem Material wie Quarz, das dem Idealzustand des Körpers nahe kommt, ist die Umwandlung von Mechanik in eine elektrische Ladung mit einem minimalen Fehler von -4 bis -6 möglich. Die Entwicklung der Hochpräzisionstechnologie hat jedoch die Fähigkeit verbessert, verlustfreie Genauigkeit zu realisieren. Daraus können wir schließen, dass diese piezoelektrischen Wandler am besten zum Messen von Kräften, Drücken und anderen Elementen geeignet sind.
PET-Beschleunigung hat die folgende Struktur:
- alle Materialien sind an der Titanbasis befestigt;
- zwei gleichzeitig eingesch altete piezoelektrische Elementeaus Quarz;
- Trägheitsmasse mit hoher Dichte, die für minimale Abmessungen ausgelegt ist;
- Signalentfernung mit Messingfolie;
- sie wiederum ist mit einem angelöteten Kabel verbunden;
- Sensor bedeckt von einer Kappe, die in den Sockel eingeschraubt ist;
- um das Messgerät am Objekt zu befestigen, schneiden Sie den Faden ab.
Trotz der Masse ist der Sensor recht stabil und dicht. Arbeitet mit 150 m/s2.
Konstruktionsmerkmale von Konvertern
Wenn es notwendig ist, einen Beschleunigungssensor herzustellen, ist es wichtig, die Piezo-Sensorplatten korrekt an der Basis zu befestigen. Diese Aktion wird durch Löten durchgeführt. Das Kabel muss folgende Anforderungen erfüllen:
- Isolationswiderstand sollte hoch sein;
- der Bildschirm steht neben dem Wohnzimmer;
- Antivibration;
- Flexibilität.
Das heißt, das Kabel sollte am Eingang des Verstärkers nicht erschüttert werden. Der Messkreis ist symmetrisch aufgebaut, so dass keine Störungen auftreten. Im Sensor ist die Verbindung asymmetrisch, der Widerstand der Leitungen und des Gehäuses ist so verbunden, dass die Isolierung der Außenplatten erh alten wird. Um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, muss das Messgerät aus einer ungeraden Anzahl von Materialien hergestellt werden, die im Prozess verwendet werden. Die Elemente werden durch Bohrungen im Mittelteil und durch mit dem Gehäuse verschraubte Isolatoren gegen den Verstärker gepresst.
Eigenschaften von Schwingungsmessgeräten
Um die Empfindlichkeit des Messgeräts zu erhöhen, müssen piezoelektrische Elemente mit hohem Modul verwendet werden. DasDas Material wird parallel in einer Reihe verlegt und mit Metalldichtungen und -platten verbunden. Für einen ähnlichen Effekt können noch Substanzen verwendet werden, die auf Biegung wirken. Sie sind jedoch niederfrequent und der Kompressionsmechanik unterlegen.
Material kann bimorph sein, es wird normalerweise in Reihe oder parallel gesammelt, es hängt alles von den positiv angeordneten Achsen ab. In der Regel sind dies zwei Platten. Unter Berücksichtigung der neutralen Schicht kann anstelle eines piezoelektrischen Elements eine Auflage aus Metall mit mittlerer Dicke verwendet werden.
Um Signale zu messen, die sich langsam genug bewegen, gehen Sie wie folgt vor:
- im Oszillator enth altener piezoelektrischer Wandler;
- Kristall ist auf Resonanzfrequenz;
- Sobald die Last auftritt, ändern sich die Anzeigen.
Heute sind Piezo-Beschleunigungsmesser fortschrittliche Geräte mit hoher Frequenz und hoher Empfindlichkeit.
Alternative Energiequelle durch Konverter
Eine der berühmten und unerschöpflichen Mittel zur Stromerzeugung ist die Wellenenergie. Solche Stationen werden direkt in der aquatischen Umgebung montiert. Dieses Phänomen ist mit den Sonnenstrahlen verbunden, die die Luftmasse erwärmen, wodurch Wellen entstehen. Die Welle dieses Phänomens hat eine Energieintensität, die durch die Stärke des Windes, die Breite der Luftfronten, die Dauer der Böen bestimmt wird.
Der Wert kann in seichtem Wasser schwanken oder 100 kW pro Meter erreichen. Der piezoelektrische Wellenenergiewandler arbeitet nach einem bestimmten Prinzip. Der Wasserspiegel steigt durch eine Welle, dabei wird die Luft aus dem Gefäß gepresst. Die Strömungen werden dann von einer Umkehrturbine durchströmt. Die Einheit dreht sich unabhängig von der Bewegung der Wellen in eine bestimmte Richtung.
Dieses Gerät hat eine positive Eigenschaft. Bis heute ist die Verbesserung des Designs nicht absehbar, da sich die Effizienz und das Funktionsprinzip auf allen vorhandenen Wegen bewährt haben. Im Zuge des technologischen Fortschritts können schwimmende Stationen gebaut werden.
Piezoelektrischer Ultraschallwandler
Dieses Gerät ist so konzipiert, dass keine weiteren Einstellungen erforderlich sind. Es ist mit einem Speicherblock ausgestattet, der das technische Ergebnis liefert. Bezieht sich auf Kontroll- und Messgeräte. Solche Geräte unterscheiden sich in Typ und technischen Eigenschaften, die auf der Grundlage von Konstruktions- und Zweckdaten mit minimalen Fehlern zusammengestellt werden. Alle Anforderungen werden basierend auf dem Design berücksichtigt.
Für alle diese Geräte ist ein Standard-Erstellungsschema vorgesehen: ein Fehlerdetektor, ein Gehäuse, Elektroden, das Hauptelement, das an der Basis befestigt ist, ein Kern, Folie und andere Materialien. Ein piezoelektrischer Ultraschallwandler ist ein Gebrauchsmuster. Es ermöglicht Ihnen, Daten direkt über den Sound zu empfangen, der auf der Basis des Geräts installiert ist.
Piezowandleranwendungen
Geräte mitdirekte Wirkung werden in Instrumenten verwendet, die Kraft, Druck, Beschleunigung messen. Sie haben eine hohe Frequenz und Härte. Geräte mit Rückkopplung werden bei Ultraschallschwingungen, der Umwandlung von Spannungen in Verformungen und beim Auswuchten verwendet. Berücksichtigt man beide Effekte gleichzeitig, so eignet sich diese Option für Piezoresonatoren, die eine Energieart relativ schnell in eine andere umwandeln.
Positive Geräte, die in entgegengesetzter Richtung angeschlossen sind, arbeiten mit automatischen Schwingungen und werden in Generatoren verwendet. Der Anwendungsbereich ist umfangreich, da sie bei richtiger Erstellung eine hohe Stabilität aufweisen. Oft werden mehrere Piezoresonatoren verwendet, um den gewünschten Effekt zu erzielen und die richtigen Informationen zu erh alten.
Nachteile von Konvertern
Diese Geräte haben sehr viele positive Aspekte. Allerdings haben sie auch negative Eigenschaften:
- Ausgangswiderstand - maximal;
- Messkreise und Kabel müssen nach strengen Vorgaben und Richtlinien erstellt werden.
Berechnung des piezoelektrischen Wandlers ergibt zunächst die Gleichungsformel für die Resonanzfrequenz: Fp =0,24 ·c·. Plattendicke: h=Fp a2 / 0,24 c=35 103 25 10 -6/ 0,24 2900=1,257 10-3m. Energiekennwerte werden wie folgt berechnet: Wak =Wak.ud S=40 4,53 10-3.
