Estes conversores pertencem a um subgrupo de geradores, são baseados em cargas elétricas acumuladas mecanicamente. Como resultado, distingue-se a seguinte relação: Q=d P. Neste caso, d é o módulo piezoelétrico e P é a força. Como regra, o material é quartzo, turmalina, misturas de recozimento, bário, chumbo. Para projetar um transdutor piezoelétrico, é necessário usar padrões de carga: compressão, flexão, cisalhamento, tensão.
Efeito piezoelétrico direto e reverso
O efeito direto é caracterizado pelo seguinte: o material cristalino utilizado forma uma rede devido aos íons carregados dispostos em uma determinada ordem. No processo, partículas diferentes se alternam e se compensam mutuamente, resultando em neutralidade elétrica. Os cristais têm características que são indicadas da seguinte forma:
- simetria em relação ao eixo;
- considerando a vista anterior, aparece uma rede com íons que se alternam e compensam.
Se o material usado no processo for direcionado para a força Fx, entãoé deformado, a distância entre as cargas positivas e negativas muda e a direção no eixo dado é eletrificada. Tudo isso é expresso na fórmula q=d11Fx e é proporcional à força. O coeficiente está associado à substância e seu estado, tem um nome - o módulo piezoelétrico. Os índices são determinados pela força e pela borda, mas se você mudar de direção, o efeito será diferente.
O transdutor piezoelétrico no processo direto eletrifica os cristais sob a influência de forças externas. Este efeito ocorre sob a influência de substâncias que são eletricistas. Para fazer instrumentos de medição, você precisará de cristais de quartzo. Ou seja, o princípio de funcionamento do transdutor piezoelétrico é o seguinte: com efeito direto, a ação é realizada por meio da mecânica e, com o inverso, os cristais são deformados.
Efeitos piezoelétricos adicionais
O cristal pode ser polarizado quando a placa é submetida a forças nos eixos X, Y. Fy – transversal, com Fz não há cobranças. O cristal de quartzo está localizado em três eixos coordenados. Para utilizar transdutores piezoelétricos, é necessário cortar uma placa que indique o efeito. Tem a seguinte descrição:
- alta resistência;
- tensão permitida até 108 N/m2, portanto, grandes forças mensuráveis são possíveis;
- rigidez e elasticidade;
- fricção mínima interna;
- estabilidade,que não muda;
- Fator de qualidade máximo do material fabricado.
As placas de quartzo são usadas apenas em transdutores que medem pressão e força. Dada a dureza do material, é difícil processar, então uma forma simples é criada a partir dele. O módulo é constante a uma temperatura constante. Se aumentar, nesse caso há uma diminuição no módulo. As propriedades piezoelétricas desaparecem a 573 graus Celsius.
Descrição do dispositivo e circuitos de medição
O transdutor de pressão piezoelétrico tem a seguinte estrutura:
- membrana, que é o fundo da caixa;
- o revestimento externo é aterrado e o do meio é isolado com quartzo;
- placas possuem alta resistência, conectadas em paralelo;
- a folha e o núcleo interno do cabo são fixados em um orifício fechado por uma tampa.
A potência de saída é mínima, nesse sentido, é fornecido um amplificador com grande resistência. Essencialmente, a tensão depende da capacitância do circuito de entrada. As características do transdutor indicam sensibilidade e capacitância. Basicamente, esta é a carga e os próprios indicadores do dispositivo. Se calculado no total, será obtida a seguinte potência de saída: Sq =q/F ou Uxx=d11 F/Co.
Para expandir a faixa de frequência, é necessário aumentar as variáveis baixas medidas para um circuito de tempo constante. É fácil fazer isso ligandocapacitores que estão localizados em paralelo com o dispositivo. Neste caso, no entanto, a tensão de saída diminuirá. A resistência que foi aumentada expandirá o alcance sem perda de sensibilidade. Mas para aumentá-lo, são necessárias qualidades de isolamento aprimoradas e amplificadores com entrada de alta resistência.
Descrição dos circuitos de medição
Resistência específica e de superfície determinam a sua própria, e o componente principal para o quartzo é maior, então o transdutor piezoelétrico deve ser selado. Como resultado, a qualidade é melhorada e a superfície é protegida contra umidade e sujeira. Os circuitos de medição de sensores foram criados como amplificadores de alta resistência, baseados em um estágio de saída de transistor de efeito de campo e um amplificador não inversor com um dispositivo operacional. A tensão é fornecida à entrada e à saída.
No entanto, este transdutor piezoelétrico desatualizado tinha falhas:
- dependência da tensão de saída e sensibilidade em relação ao volume do sensor;
- capacidade instável que muda devido às condições de temperatura.
A tensão do amplificador e a sensibilidade são determinadas pelo erro permitido, se o volume estável incluído for complementado com C1. Fórmula: ys=(ΔCo + ΔCk)/(Co+Ck +C1). Após a transformação temos: S=Ubx/F. Se o coeficiente aumenta, respectivamente, e essas variáveis aumentam. O circuito de medição é caracterizado por:
- linha do tempo constante;
- resistência R é determinada pelo ganho de entrada, isolamento de sensores, cabos e R3;
- Os transistores MOS são mais fortes que os dispositivos de campo, mas têm um alto nível de ruído;
- R3 estabiliza a tensão, seu valor é calculado como ~ 1011 Ohm.
Analisando a última variável, podemos supor que a linha de tempo constante é a seguinte: t ≦ 1c. Os dispositivos atuais podem usar sensores piezoelétricos com amplificadores de tensão para carregar.
Vantagens do dispositivo
O transdutor piezoelétrico tem as seguintes vantagens:
- fácil montagem estrutural;
- dimensões;
- confiabilidade;
- conversão de tensão mecânica em carga elétrica;
- variáveis que podem ser medidas rapidamente.
No caso de um material como o quartzo, que se aproxima do estado ideal do corpo, a transformação da mecânica em carga elétrica é possível com um erro mínimo de -4 a -6. No entanto, o desenvolvimento de tecnologia de alta precisão melhorou a capacidade de obter precisão sem perdas. Como resultado, podemos concluir que esses transdutores piezoelétricos são os mais adequados para medir forças, pressão e outros elementos.
A aceleração PET tem a seguinte estrutura:
- todos os materiais são fixados na base de titânio;
- dois elementos piezoelétricos ligados simultaneamentede quartzo;
- massa inercial de alta densidade projetada para dimensões mínimas;
- remoção de sinal com folha de latão;
- ela, por sua vez, está conectada a um cabo que é soldado;
- sensor coberto por uma tampa aparafusada na base;
- para fixar o medidor no objeto, corte o fio.
Apesar da massa, o sensor é bastante estável e denso. Opera a 150 m/s2.
Recursos de design dos conversores
Se for necessário fabricar um sensor de acelerômetro, é importante fixar corretamente as placas piezo-sensores na base. Esta ação é realizada por soldagem. O cabo deve atender aos seguintes requisitos:
- resistência de isolamento deve ser alta;
- a tela é colocada ao lado da sala;
- anti-vibração;
- flexibilidade.
Ou seja, o cabo não deve ser sacudido na entrada do amplificador. O circuito de medição é criado simetricamente para que não ocorra interferência. No sensor, a conexão é assimétrica, a resistência dos fios e a caixa são conectadas de tal forma que se obtém o isolamento das placas externas. Para alcançar o resultado desejado, o medidor deve ser feito de um número ímpar de materiais que são usados no processo. Os elementos são pressionados contra o amplificador através de furos na parte central e através de isoladores que são aparafusados ao gabinete.
Recursos dos dispositivos de medição de vibração
Para aumentar a sensibilidade do dispositivo de medição, é necessário utilizar elementos piezoelétricos de alto módulo. Esseo material é colocado em paralelo em uma linha e conectado com juntas e placas de metal. Para um efeito semelhante, ainda podem ser usadas substâncias que atuam na flexão. No entanto, são de baixa frequência e inferiores à mecânica de compressão.
O material pode ser bimorfo, geralmente é coletado em série ou em paralelo, tudo depende dos eixos localizados positivamente. Como regra, são duas placas. Se a camada neutra for levada em consideração, pode-se usar uma sobreposição de metal com espessura média em vez de um elemento piezoelétrico.
Para medir sinais que se movem devagar o suficiente, faça o seguinte:
- transdutor piezoelétrico incluído no oscilador;
- cristal está na frequência de ressonância;
- assim que ocorrer o carregamento, os indicadores mudarão.
Hoje, os acelerômetros piezoelétricos são dispositivos avançados que podem ser de alta frequência, com forte sensibilidade.
Fonte alternativa de energia através de conversores
Um dos famosos e inesgotáveis meios de geração de eletricidade é a energia das ondas. Tais estações são montadas diretamente no ambiente aquático. Este fenômeno está associado aos raios do sol, que aquecem a massa de ar, devido aos quais surgem as ondas. O eixo deste fenômeno tem uma intensidade energética, que é determinada pela força do vento, pela largura das frentes de ar, pela duração das rajadas.
O valor pode oscilar em águas rasas ou atingir 100 kW por metro. O conversor de energia das ondas piezoelétricas funciona de acordo com um determinado princípio. O nível da água sobe por meio de uma onda, no processo o ar é espremido para fora da embarcação. Os fluxos são então passados por uma turbina de reversão. A unidade gira em uma determinada direção, independentemente do movimento das ondas.
Este dispositivo tem uma característica positiva. Até hoje não se prevê a melhoria do projeto, pois a eficiência e o princípio de funcionamento foram comprovados em todas as formas existentes. No processo de progresso tecnológico, podem ser construídas estações flutuantes.
Transdutor piezoelétrico ultrassônico
Este dispositivo foi projetado de tal forma que não requer configurações adicionais. Está equipado com um bloco de memória, que dá o resultado técnico. Refere-se a dispositivos de controle e medição. Esses dispositivos diferem em tipo, características técnicas, que são compiladas com base em dados de design e finalidade com erros mínimos. Todos os requisitos são considerados com base no design.
Para todos esses dispositivos, um esquema de criação padrão é fornecido: um detector de falhas, uma caixa, eletrodos, o elemento principal que é fixado à base, um núcleo, folha e outros materiais. Um transdutor piezoelétrico ultrassônico é um modelo de utilidade. Permite receber dados diretamente usando o som instalado na base do aparelho.
Aplicações de transdutores piezoelétricos
Dispositivos comefeito direto são usados em instrumentos que medem força, pressão, aceleração. Eles têm um alto nível de frequência e aspereza. Aparelho com feedback é usado em vibrações ultrassônicas, a conversão de estresse em deformação, balanceamento. Se ambos os efeitos forem considerados ao mesmo tempo, esta opção é adequada para piezoressonadores que convertem um tipo de energia em outro rapidamente.
Dispositivos positivos, conectados em sentido contrário, operam em oscilações automáticas e são utilizados em geradores. O escopo de sua aplicação é extenso, pois possuem alta estabilidade quando criados adequadamente. Muitas vezes, vários ressonadores piezoelétricos são usados para alcançar o efeito desejado e obter as informações corretas.
Desvantagens dos conversores
Estes dispositivos têm um grande número de aspectos positivos. No entanto, eles também têm características negativas:
- resistência de saída - máximo;
- circuitos e cabos de medição devem ser criados com base em requisitos e diretrizes rigorosos.
Cálculo do transdutor piezoelétrico inicialmente deriva a fórmula da equação para a frequência de ressonância: Fp =0,24 ·c·. Espessura da placa: h=Fp a2 / 0,24 c=35 103 25 10 -6/ 0,24 2900=1,257 10-3m. As características de energia são calculadas da seguinte forma: Wak =Wak.ud S=40 4,53 10-3.
