Бұл түрлендіргіштер генераторлардың кіші тобына жатады, олар механикалық жинақталған электр зарядтарына негізделген. Нәтижесінде келесі қатынас ажыратылады: Q=d P. Бұл жағдайда d - пьезоэлектрлік модуль, ал P - күш. Әдетте, материал кварц, турмалин, күйдіргіш қоспалар, барий, қорғасын болып табылады. Пьезоэлектрлік түрлендіргішті жобалау үшін жүктеме үлгілерін пайдалану қажет: қысу, иілу, кесу, созу.
Тікелей және кері пьезоэлектрлік эффект
Тікелей әсер келесідей сипатталады: пайдаланылған кристалдық материал белгілі бір ретпен орналасқан зарядталған иондар есебінен тор түзеді. Процесс барысында бір-біріне ұқсамайтын бөлшектер кезектесіп, өзара компенсацияланады, нәтижесінде электрлік бейтараптық пайда болады. Кристалдардың келесідей көрсетілген мүмкіндіктері бар:
- оське қатысты симметрия;
- алдыңғы көріністі ескере отырып, кезектесіп және компенсациялайтын иондары бар тор пайда болады.
Егер процесте қолданылатын материал Fx күшіне бағытталған болса, онда олдеформацияланады, оң және теріс зарядтар арасындағы қашықтық өзгереді, ал берілген осьтегі бағыт электрленеді. Мұның бәрі q=d11Fx формуласында өрнектеледі және күшке пропорционал. Коэффицент затпен және оның күйімен байланысты, оның атауы бар - пьезоэлектрлік модуль. Индекстер күші мен жиегі бойынша анықталады, бірақ бағытты өзгертсеңіз, әсер басқаша болады.
Тікелей процестегі пьезоэлектрлік түрлендіргіш сыртқы күштердің әсерінен кристалдарды электрлендіреді. Бұл әсер электриктер болып табылатын заттардың әсерінен пайда болады. Өлшеу құралдарын жасау үшін сізге кварц кристалдары қажет. Яғни пьезоэлектрлік түрлендіргіштің жұмыс істеу принципі келесідей: тікелей әсер еткенде әрекет механика арқылы жүзеге асады, ал кері әсер еткенде кристалдар деформацияланады.
Қосымша пьезоэффектілер
Плита X, Y осьтеріне күш әсер еткенде кристалды поляризациялауға болады. Fy – көлденең, Fz ақы алынбайды. Кварц кристалы үш координаталық осьте орналасқан. Пьезоэлектрлік түрлендіргіштерді қолдану үшін әсерді көрсететін пластинаны кесу қажет. Оның келесі сипаттамасы бар:
- жоғары беріктік;
- 108 N/m2 дейін рұқсат етілген кернеу, осылайша үлкен өлшенетін күштер мүмкін;
- қаттылық пен серпімділік;
- ішінде ең аз үйкеліс;
- тұрақтылық,ол өзгермейді;
- Өндірілетін материалдың ең жоғары сапа коэффициенті.
Кварц тақталары тек қысым мен күшті өлшейтін түрлендіргіштерде қолданылады. Материалдың қаттылығын ескере отырып, оны өңдеу қиын, сондықтан одан қарапайым пішін жасалады. Тұрақты температурада модуль тұрақты болады. Егер ол өссе, онда бұл жағдайда модульдің төмендеуі байқалады. Пьезоэлектрлік қасиеттер 573 градус Цельсийде жоғалады.
Құрылғы мен өлшеу схемаларының сипаттамасы
Пьезоэлектрлік қысым түрлендіргішінің құрылымы келесідей:
- мембрана, ол корпустың түбі;
- сыртқы төсем жерге тұйықталған, ал ортасы кварцпен оқшауланған;
- пластиналар жоғары қарсылыққа ие, параллель қосылған;
- фольга мен кабельдің ішкі өзегі қақпақпен жабылған тесікке бекітілген.
Шығу қуаты минималды, осыған байланысты үлкен кедергісі бар күшейткіш қамтамасыз етілген. Негізінде кернеу кіріс тізбегінің сыйымдылығына байланысты. Түрлендіргіштің сипаттамалары сезімталдық пен сыйымдылықты көрсетеді. Негізінде бұл заряд және құрылғының өзіндік көрсеткіштері. Егер жалпы есептелсе, келесі шығыс қуаты алынады: Sq =q/F немесе Uxx=d11 F/Co.
Жиілік диапазонын кеңейту үшін өлшенген төмен айнымалы мәндерді тұрақты уақыт тізбегіне қарай ұлғайту қажет. Мұны қосу арқылы жасау оңайқұрылғыға параллель орналасқан конденсаторлар. Бірақ бұл жағдайда шығыс кернеуі төмендейді. Артқан қарсылық диапазонды сезімталдықты жоғалтпай кеңейтеді. Бірақ оны арттыру үшін жақсартылған оқшаулау қасиеттері мен кедергісі жоғары кірісі бар күшейткіштер қажет.
Өлшеу тізбектерінің сипаттамасы
Спецификалық және беттік кедергілер өздерін анықтайды, ал кварц үшін негізгі құрамдас жоғарырақ, сондықтан пьезоэлектрлік түрлендіргіш герметикалық болуы керек. Нәтижесінде сапасы жақсарып, беті ылғал мен кірден қорғалған. Датчиктерді өлшеу схемалары жоғары кедергілі күшейткіштер ретінде құрылды, олар өрістік транзистордың шығыс сатысына және операциялық құрылғысы бар инвертивті емес күшейткішке негізделген. Кернеу кіріс пен шығысқа беріледі.
Алайда бұл ескірген пьезоэлектрлік түрлендіргіште кемшіліктер болды:
- шығыс кернеуінің және сенсордың көлеміне қатысты сезімталдықтың тәуелділігі;
- температура жағдайларына байланысты өзгеретін тұрақсыз сыйымдылық.
Күшейткіштің кернеуі мен сезімталдық рұқсат етілген қатемен анықталады, егер енгізілген тұрақты көлем C1 толықтырылса. Формула: ys=(ΔCo + ΔCk)/(Co+Ck +C1). Трансформациядан кейін мынаны аламыз: S=Ubx/F. Егер коэффициент өссе, сәйкесінше, бұл айнымалылар артады. Өлшеу тізбегі мыналармен сипатталады:
- тұрақты хронология;
- қарсылық R кіріс кірісінің күшеюімен, сенсорлардың, кабельдердің оқшаулануымен және R3;
- MOS транзисторлары далалық құрылғыларға қарағанда күштірек, бірақ шу деңгейі жоғары;
- R3 кернеуді тұрақтандырады, оның мәні ~ 1011 Ом ретінде есептеледі.
арқылы анықталады.
Соңғы айнымалыны талдай отырып, тұрақты уақыт сызығы келесідей болады деп болжауға болады: t ≦ 1c. Қазіргі құрылғылар зарядтау үшін кернеу күшейткіштері бар пьезоэлектрлік сенсорларды пайдалана алады.
Құрылғы артықшылықтары
Пьезоэлектрлік түрлендіргіштің келесі артықшылықтары бар:
- оңай құрылымдық құрастыру;
- өлшемдер;
- сенімділік;
- механикалық кернеуді электр зарядына түрлендіру;
- жылдам өлшенетін айнымалылар.
Дененің идеалды күйіне жақын кварц тәрізді материалда механиканың электр зарядына айналуы -4-тен -6-ға дейінгі ең аз қателікпен мүмкін болады. Дегенмен, жоғары дәлдіктегі технологияның дамуы жоғалтпай дәлдікті жүзеге асыру мүмкіндігін жақсартты. Нәтижесінде бұл пьезоэлектрлік түрлендіргіштер күштерді, қысымды және басқа элементтерді өлшеу үшін ең қолайлы деген қорытынды жасауға болады.
PET жеделдету келесі құрылымға ие:
- барлық материалдар титан негізіне бекітілген;
- екі бір уақытта пьезоэлектрлік элементтерді қостыкварцтан;
- ең төменгі өлшемдерге арналған жоғары тығыздықтағы инерциялық масса;
- жез фольгамен сигналды жою;
- ол, өз кезегінде, дәнекерленген кабельге қосылған;
- сенсор негізге бұралған қақпақпен жабылған;
- метрді нысанға бекіту үшін жіпті кесіңіз.
Массасына қарамастан, сенсор айтарлықтай тұрақты және тығыз. 150 м/с жылдамдықпен жұмыс істейді2.
Түрлендіргіштердің дизайн мүмкіндіктері
Егер акселерометр сенсорын жасау қажет болса, пьезосенсорлық тақталарды негізге дұрыс бекіту маңызды. Бұл әрекет дәнекерлеу арқылы жүзеге асырылады. Кабель келесі талаптарға сай болуы керек:
- оқшаулау кедергісі жоғары болуы керек;
- экран қонақ бөлменің жанында орналасқан;
- дірілге қарсы;
- икемділік.
Яғни, кабель күшейткіштің кірісінде шайқалмауы керек. Өлшеу тізбегі бөгеуіл болмас үшін симметриялы түрде жасалады. Датчикте қосылым асимметриялық, сымдар мен корпустың кедергісі сыртқы плиталардың оқшаулауын алатындай етіп қосылады. Қажетті нәтижеге қол жеткізу үшін есептегішті процесте қолданылатын материалдардың тақ санынан жасау қажет. Элементтер орталық бөліктегі саңылаулар арқылы және корпусқа бұрандалы оқшаулағыштар арқылы күшейткішке басылады.
Дірілдеуді өлшейтін құрылғылардың ерекшеліктері
Өлшеу құрылғысының сезімталдығын арттыру үшін жоғары модульді пьезоэлектрлік элементтерді пайдалану қажет. Бұлматериал қатарға параллель төселеді және металл тығыздағыштармен және пластиналармен біріктіріледі. Ұқсас әсер ету үшін иілуде жұмыс істейтін заттарды әлі де қолдануға болады. Дегенмен, олар төмен жиілікте және қысу механикасынан төмен.
Материал биморфты болуы мүмкін, ол әдетте тізбектей немесе параллель жиналады, бәрі оң орналасқан осьтерге байланысты. Әдетте, бұл екі табақша. Егер бейтарап қабат ескерілсе, пьезоэлектрлік элементтің орнына орташа қалыңдығы бар металдан жасалған қабаттасуға болады.
Жеткілікті баяу қозғалатын сигналдарды өлшеу үшін келесі әрекеттерді орындаңыз:
- пьезоэлектрлік түрлендіргіш осцилляторға кіреді;
- кристал резонанстық жиілікте;
- жүктеме пайда болған бойда индикаторлар өзгереді.
Бүгін пьезо акселерометрлер жоғары жиілікті, сезімталдығы жоғары болуы мүмкін жетілдірілген құрылғылар болып табылады.
Түрлендіргіштер арқылы балама қуат көзі
Электр энергиясын өндірудің әйгілі және сарқылмас құралдарының бірі – толқындық энергия. Мұндай станциялар тікелей су ортасында орнатылады. Бұл құбылыс ауа массасын қыздыратын күн сәулелерімен байланысты, соның салдарынан толқындар пайда болады. Бұл құбылыстың білігі желдің күшімен, ауа фронттарының енімен, екпінділердің ұзақтығымен анықталатын энергия қарқындылығына ие.
Мән таяз суда ауытқуы немесе метрге 100 кВт жетуі мүмкін. Пьезоэлектрлік толқындық энергия түрлендіргіші белгілі бір принцип бойынша жұмыс істейді. Су деңгейі толқынның көмегімен көтеріледі, бұл процесте ауа ыдыстан сығып кетеді. Содан кейін ағындар кері турбина арқылы өтеді. Құрылғы толқындардың қозғалысына қарамастан белгілі бір бағытта айналады.
Бұл құрылғының оң сипаттамасы бар. Бүгінгі күнге дейін дизайнды жақсарту болжанбайды, өйткені тиімділік пен жұмыс принципі барлық қолданыстағы жолдармен дәлелденді. Технологиялық прогресс барысында қалқымалы станциялар салынуы мүмкін.
Ультрадыбыстық пьезоэлектрлік түрлендіргіш
Бұл құрылғы қосымша параметрлерді қажет етпейтіндей етіп жасалған. Ол техникалық нәтиже беретін жад блогымен жабдықталған. Бақылау-өлшеу құрылғыларына жатады. Мұндай құрылғылар түрі, техникалық сипаттамалары бойынша ерекшеленеді, олар минималды қателермен дизайн және тағайындау деректері негізінде құрастырылады. Барлық талаптар дизайн негізінде қарастырылады.
Барлық осындай құрылғылар үшін стандартты құру схемасы қарастырылған: дефектоскоп, корпус, электродтар, негізге бекітілген негізгі элемент, өзек, фольга және басқа материалдар. Ультрадыбыстық пьезоэлектрлік түрлендіргіш пайдалы модель болып табылады. Ол құрылғының негізінде орнатылған дыбыс арқылы деректерді тікелей алуға мүмкіндік береді.
Пиезо түрлендіргіш қолданбалары
Құрылғылартікелей әсер күшін, қысымын, үдеуін өлшейтін аспаптарда қолданылады. Олардың жиілігі мен қаталдығы жоғары. Кері байланысы бар аппарат ультрадыбыстық тербелістерде, кернеуді деформацияға айналдыруда, теңгерімдеуде қолданылады. Егер екі әсер де бір уақытта ескерілсе, онда бұл опция энергияның бір түрін екіншісіне тез түрлендіретін пьезорезонаторлар үшін қолайлы.
Қарсы бағытта қосылған оң құрылғылар автоматты тербеліспен жұмыс істейді және генераторларда қолданылады. Оларды қолдану аясы кең, өйткені олар дұрыс жасалған кезде жоғары тұрақтылыққа ие. Көбінесе қажетті әсерге жету және дұрыс ақпаратты алу үшін бірнеше пьезорезонаторлар қолданылады.
Түрлендіргіштердің кемшіліктері
Бұл құрылғылардың оң жақтары өте көп. Дегенмен, олардың жағымсыз қасиеттері де бар:
- шығыс кедергісі - максималды;
- өлшеу тізбектері мен кабельдер қатаң талаптар мен нұсқаулар негізінде жасалуы керек.
Пьезоэлектрлік түрлендіргішті есептеу бастапқыда резонанстық жиілік үшін теңдеу формуласын шығарады: Fp =0,24 ·c·. Пластина қалыңдығы: h=Fp a2 / 0,24 c=35 103 25 10 -6/ 0,24 2900=1,257 10-3м. Энергетикалық сипаттамалар келесідей есептеледі: Wak =Wak.ud S=40 4,53 10-3.
