Šie pārveidotāji pieder pie ģeneratoru apakšgrupas, to pamatā ir mehāniski uzkrāti elektriskie lādiņi. Rezultātā tiek izdalīta šāda sakarība: Q=d P. Šajā gadījumā d ir pjezoelektriskais modulis, bet P ir spēks. Parasti materiāls ir kvarcs, turmalīns, rūdīšanas maisījumi, bārijs, svins. Lai izstrādātu pjezoelektrisko devēju, ir jāizmanto slodzes modeļi: saspiešana, liece, bīde, spriegojums.
Tiešs un apgriezts pjezoelektriskais efekts
Tiešo efektu raksturo sekojošais: izmantotais kristāliskais materiāls veido režģi, pateicoties lādētiem joniem, kas sakārtoti noteiktā secībā. Šajā procesā dažādas daļiņas mainās un savstarpēji kompensējas, kā rezultātā rodas elektriskā neitralitāte. Kristāliem ir pazīmes, kas norādītas šādi:
- simetrija attiecībā pret asi;
- ņemot vērā iepriekšējo skatu, parādās režģis ar joniem, kas mainās un kompensē.
Ja procesā izmantotais materiāls ir vērsts uz spēku Fx, tad tastiek deformēta, mainās attālums starp pozitīvajiem un negatīvajiem lādiņiem, un virziens dotajā asī tiek elektrizēts. Tas viss ir izteikts formulā q=d11Fx un ir proporcionāls spēkam. Koeficients ir saistīts ar vielu un tās stāvokli, tam ir nosaukums - pjezoelektriskais modulis. Indeksus nosaka spēks un mala, bet, mainot virzienu, efekts būs atšķirīgs.
Pjezoelektriskais devējs tiešā procesā elektrificē kristālus ārējo spēku ietekmē. Šis efekts rodas tādu vielu ietekmē, kas ir elektriķi. Lai izgatavotu mērinstrumentus, jums būs nepieciešami kvarca kristāli. Tas ir, pjezoelektriskā devēja darbības princips ir šāds: ar tiešu iedarbību darbība tiek veikta, izmantojot mehāniku, un pretējā gadījumā kristāli tiek deformēti.
Papildu pjezoefekti
Kristālu var polarizēt, kad plāksne tiek pakļauta spēkiem X, Y asīm. Fy – šķērsvirzienā, ar Fz maksa netiek piemērota. Kvarca kristāls atrodas uz trim koordinātu asīm. Lai izmantotu pjezoelektriskos devējus, ir jāizgriež plāksne, kas norāda efektu. Tam ir šāds apraksts:
- augsta izturība;
- pieļauts spriegums līdz 108 N/m2, līdz ar to ir iespējami lieli izmērāmi spēki;
- stingrība un elastība;
- minimāla berze iekšpusē;
- stabilitāte,kas nemainās;
- Maksimālais izgatavotā materiāla kvalitātes koeficients.
Kvarca plāksnes izmanto tikai devējos, kas mēra spiedienu un spēku. Ņemot vērā materiāla cietību, to ir grūti apstrādāt, tāpēc no tā tiek izveidota vienkārša forma. Modulis ir nemainīgs nemainīgā temperatūrā. Ja tas palielinās, tad šajā gadījumā modulī ir samazinājums. Pjezoelektriskās īpašības pazūd pie 573 grādiem pēc Celsija.
Ierīces un mērīšanas ķēžu apraksts
Pjezoelektriskajam spiediena devējam ir šāda struktūra:
- membrāna, kas ir korpusa apakšdaļa;
- ārējais oderējums ir iezemēts, bet vidējais izolēts ar kvarcu;
- plāksnēm ir augsta pretestība, savienotas paralēli;
- kabeļa folija un iekšējā serdeņa ir nostiprināta caurumā, ko aizver ar vāku.
Izejas jauda ir minimāla, šajā sakarā tiek nodrošināts pastiprinātājs ar lielu pretestību. Būtībā spriegums ir atkarīgs no ieejas ķēdes kapacitātes. Pārveidotāja raksturlielumi norāda uz jutību un kapacitāti. Būtībā tas ir uzlādes un pašas ierīces indikatori. Ja rēķina kopā, tad tiks iegūta šāda izejas jauda: Sq =q/F vai Uxx=d11 F/Co.
Lai paplašinātu frekvenču diapazonu, ir nepieciešams palielināt izmērītos zemos mainīgos, lai sasniegtu nemainīgu laika ķēdi. To ir viegli izdarīt, ieslēdzotkondensatori, kas atrodas paralēli ierīcei. Tomēr šajā gadījumā izejas spriegums samazināsies. Palielinātā pretestība paplašinās diapazonu, nezaudējot jutību. Bet, lai to palielinātu, ir nepieciešamas uzlabotas izolācijas īpašības un pastiprinātāji ar augstas pretestības ieeju.
Mērījumu ķēžu apraksts
Īpašā un virsmas pretestība nosaka savu, un kvarca galvenā sastāvdaļa ir augstāka, tāpēc pjezoelektriskajam devējam jābūt noslēgtam. Rezultātā uzlabojas kvalitāte un virsma tiek pasargāta no mitruma un netīrumiem. Sensoru mērīšanas shēmas tika izveidotas kā augstas pretestības pastiprinātāji, kuru pamatā bija lauka efekta tranzistora izejas stadija un neinvertējošais pastiprinātājs ar darbības ierīci. Spriegums tiek piegādāts ieejai un izvadei.
Tomēr šim novecojušajam pjezoelektriskajam devējam bija trūkumi:
- izejas sprieguma un jutības atkarība no sensora skaļuma;
- nestabila jauda, kas mainās temperatūras apstākļu dēļ.
Pastiprinātāja spriegumu un jutību nosaka pieļaujamā kļūda, ja iekļauto stabilo skaļumu papildina ar C1. Formula: ys=(ΔCo + ΔCk)/(Co+Ck +C1). Pēc transformācijas iegūstam: S=Ubx/F. Ja koeficients attiecīgi palielinās, un šie mainīgie palielinās. Mērīšanas ķēdi raksturo:
- pastāvīga laika skala;
- pretestību R nosaka ieejas pastiprinājums, sensoru, kabeļu izolācija un R3;
- MOS tranzistori ir spēcīgāki par lauka ierīcēm, taču tiem ir augsts trokšņu līmenis;
- R3 stabilizē spriegumu, tā vērtību aprēķina kā ~ 1011 Ohm.
Analizējot pēdējo mainīgo, varam pieņemt, ka konstantā laika līnija ir šāda: t ≦ 1c. Mūsdienu ierīcēs uzlādēšanai var izmantot pjezoelektriskos sensorus ar sprieguma pastiprinātājiem.
Ierīces priekšrocības
Pjezoelektriskajam devējam ir šādas priekšrocības:
- viegla konstrukcijas montāža;
- izmēri;
- uzticamība;
- mehāniskā sprieguma pārvēršana elektriskajā lādiņā;
- mainīgie, kurus var ātri izmērīt.
Tāda materiāla kā kvarca gadījumā, kas ir tuvu ideālajam ķermeņa stāvoklim, mehānikas transformācija elektriskajā lādiņā ir iespējama ar minimālo kļūdu no -4 līdz -6. Tomēr augstas precizitātes tehnoloģiju attīstība ir uzlabojusi spēju realizēt bezzudumu precizitāti. Rezultātā varam secināt, ka šie pjezoelektriskie devēji ir vispiemērotākie spēku, spiediena un citu elementu mērīšanai.
PET paātrinājumam ir šāda struktūra:
- visi materiāli ir piestiprināti pie titāna pamatnes;
- divi vienlaicīgi ieslēgti pjezoelektriskie elementino kvarca;
- augsta blīvuma inerciālā masa, kas paredzēta minimāliem izmēriem;
- signāla noņemšana ar misiņa foliju;
- viņa savukārt ir savienota ar kabeli, kas ir pielodēts;
- sensoru pārklāj ar pamatnē ieskrūvētu vāciņu;
- Lai piestiprinātu skaitītāju objektam, nogrieziet diegu.
Neskatoties uz masu, sensors ir diezgan stabils un blīvs. Darbojas ar ātrumu 150 m/s2.
Pārveidotāju dizaina iezīmes
Ja nepieciešams izgatavot akselerometra sensoru, ir svarīgi pareizi piestiprināt pjezo sensoru plāksnes pie pamatnes. Šo darbību veic ar lodēšanu. Kabelim jāatbilst šādām prasībām:
- izolācijas pretestībai jābūt augstai;
- ekrāns ir novietots blakus viesistabai;
- pretvibrācijas;
- elastība.
Tas ir, kabeli nedrīkst kratīt pie pastiprinātāja ieejas. Mērīšanas ķēde ir izveidota simetriski, lai nerastos traucējumi. Sensorā savienojums ir asimetrisks, vadu un korpusa pretestība ir savienota tā, ka tiek iegūta ārējo plākšņu izolācija. Lai sasniegtu vēlamo rezultātu, skaitītājam ir jābūt izgatavotam no nepāra materiāla skaita, kas tiek izmantoti procesā. Elementi tiek nospiesti pret pastiprinātāju caur caurumiem centrālajā daļā un caur izolatoriem, kas ir pieskrūvēti korpusā.
Vibrācijas mērīšanas ierīču īpašības
Lai palielinātu mērierīces jutību, nepieciešams izmantot augsta moduļa pjezoelektriskos elementus. Šismateriāls tiek likts paralēli rindā un savienots ar metāla blīvēm un plāksnēm. Līdzīgam efektam joprojām var izmantot vielas, kas iedarbojas uz liekšanu. Tomēr tiem ir zema frekvence un tie ir zemāki par kompresijas mehāniku.
Materiāls var būt bimorfs, to parasti vāc sērijveidā vai paralēli, viss atkarīgs no pozitīvi novietotajām asīm. Parasti tās ir divas plāksnes. Ja ņem vērā neitrālo slāni, pjezoelektriskā elementa vietā var izmantot pārklājumu, kas izgatavots no metāla ar vidējo biezumu.
Lai mērītu signālus, kas kustas pietiekami lēni, rīkojieties šādi:
- oscilatorā iekļauts pjezoelektriskais devējs;
- kristāls ir rezonanses frekvencē;
- tiklīdz notiks slodze, indikatori mainīsies.
Mūsdienās pjezo akselerometri ir uzlabotas ierīces, kas var būt augstas frekvences un ar lielu jutību.
Alternatīvs enerģijas avots, izmantojot pārveidotājus
Viens no slavenajiem un neizsmeļamajiem elektroenerģijas ražošanas līdzekļiem ir viļņu enerģija. Šādas stacijas ir uzstādītas tieši ūdens vidē. Šī parādība ir saistīta ar saules stariem, kas uzsilda gaisa masu, kā rezultātā rodas viļņi. Šīs parādības šahtai ir enerģijas intensitāte, ko nosaka vēja stiprums, gaisa frontes platums, brāzmu ilgums.
Vērtība var svārstīties seklā ūdenī vai sasniegt 100 kW uz metru. Pjezoelektrisko viļņu enerģijas pārveidotājs darbojas pēc noteikta principa. Ūdens līmenis paaugstinās ar viļņa palīdzību, šajā procesā no trauka tiek izspiests gaiss. Pēc tam plūsmas tiek izvadītas ar atpakaļgaitas turbīnu. Ierīce griežas noteiktā virzienā neatkarīgi no viļņu kustības.
Šai ierīcei ir pozitīvas īpašības. Līdz mūsdienām dizaina uzlabojumi nav prognozēti, jo efektivitāte un darbības princips ir pierādīts visos esošajos veidos. Tehnoloģiskā progresa procesā var tikt uzbūvētas peldošās stacijas.
Ultraskaņas pjezoelektriskais devējs
Šī ierīce ir veidota tā, ka tai nav nepieciešami papildu iestatījumi. Tas ir aprīkots ar atmiņas bloku, kas dod tehnisko rezultātu. Attiecas uz vadības un mērīšanas ierīcēm. Šādas ierīces atšķiras pēc veida, tehniskajiem parametriem, kas tiek apkopoti, pamatojoties uz konstrukcijas un mērķa datiem ar minimālām kļūdām. Visas prasības tiek ņemtas vērā, pamatojoties uz dizainu.
Visām šādām ierīcēm ir paredzēta standarta izveides shēma: defektu detektors, korpuss, elektrodi, galvenais elements, kas tiek piestiprināts pie pamatnes, serde, folija un citi materiāli. Ultraskaņas pjezoelektriskais devējs ir lietderīgs modelis. Tas ļauj saņemt datus tieši, izmantojot ierīces pamatnē instalēto skaņu.
Pjezo devēju lietojumprogrammas
Ierīces artiešo efektu izmanto instrumentos, kas mēra spēku, spiedienu, paātrinājumu. Viņiem ir augsts biežuma un skarbuma līmenis. Aparātu ar atgriezenisko saiti izmanto ultraskaņas vibrācijās, sprieguma pārvēršanā deformācijā, balansēšanā. Ja vienlaikus tiek ņemti vērā abi efekti, tad šī opcija ir piemērota pjezorezonatoriem, kas diezgan ātri pārvērš viena veida enerģiju citā.
Pozitīvās ierīces, kas savienotas pretējā virzienā, darbojas uz automātiskām svārstībām un tiek izmantotas ģeneratoros. To pielietojuma joma ir plaša, jo tiem ir augsta stabilitāte, ja tie ir pareizi izveidoti. Bieži vien, lai sasniegtu vēlamo efektu un iegūtu pareizo informāciju, tiek izmantoti vairāki pjezo rezonatori.
Pārveidotāju trūkumi
Šīm ierīcēm ir milzīgs skaits pozitīvu aspektu. Tomēr tiem ir arī negatīvas iezīmes:
- izejas pretestība - maksimālā;
- mērīšanas ķēdes un kabeļi jāveido, pamatojoties uz stingrām prasībām un vadlīnijām.
Aprēķinot pjezoelektrisko devēju, sākotnēji tiek iegūta vienādojuma formula rezonanses frekvencei: Fp =0,24 ·c·. Plāksnes biezums: h=Fp a2 / 0,24 c=35 103 25 10 -6/ 0,24 2900=1,257 10-3m. Enerģijas raksturlielumus aprēķina šādi: Wak =Wak.ud S=40 4,53 10-3.
