Estos convertidores pertenecen a un subgrupo de generadores, se basan en cargas eléctricas acumuladas mecánicamente. Como resultado, se distingue la siguiente relación: Q=d P. En este caso, d es el módulo piezoeléctrico y P es la fuerza. Como regla general, el material es cuarzo, turmalina, mezclas de recocido, bario, plomo. Para diseñar un transductor piezoeléctrico, es necesario utilizar patrones de carga: compresión, flexión, corte, tensión.
Efecto piezoeléctrico directo e inverso
El efecto directo se caracteriza por lo siguiente: el material cristalino utilizado forma una red debido a los iones cargados dispuestos en un cierto orden. En el proceso, partículas diferentes se alternan y se compensan mutuamente, lo que da como resultado la neutralidad eléctrica. Los cristales tienen características que se indican a continuación:
- simetría con respecto al eje;
- considerando la vista anterior, aparece una red con iones que se alternan y compensan.
Si el material utilizado en el proceso se dirige a la fuerza Fx, entoncesse deforma, la distancia entre las cargas positiva y negativa cambia, y la dirección en el eje dado se electrifica. Todo esto se expresa en la fórmula q=d11Fx y es proporcional a la fuerza. El coeficiente está asociado con la sustancia y su estado, tiene un nombre: el módulo piezoeléctrico. Los índices están determinados por la fuerza y el filo, pero si cambias de dirección, el efecto será diferente.
El transductor piezoeléctrico en el proceso directo electrifica los cristales bajo la influencia de fuerzas externas. Este efecto se produce bajo la influencia de sustancias que son electricistas. Para hacer instrumentos de medición, necesitarás cristales de cuarzo. Es decir, el principio de funcionamiento del transductor piezoeléctrico es el siguiente: con un efecto directo, la acción se realiza a través de la mecánica, y con el inverso, los cristales se deforman.
Efectos piezoeléctricos adicionales
El cristal se puede polarizar cuando la placa se somete a fuerzas en los ejes X e Y. Fy – transversal, con Fz no surgen cargos. El cristal de cuarzo se encuentra en tres ejes de coordenadas. Para utilizar transductores piezoeléctricos, es necesario cortar una placa que indique el efecto. Tiene la siguiente descripción:
- alta resistencia;
- voltaje permitido hasta 108 N/m2, por lo que son posibles grandes fuerzas medibles;
- rigidez y elasticidad;
- fricción mínima en el interior;
- estabilidad,que no cambia;
- Factor de calidad máxima del material fabricado.
Las placas de cuarzo se usan solo en transductores que miden presión y fuerza. Dada la dureza del material, es difícil de procesar, por lo que se crea una forma simple a partir de él. El módulo es constante a una temperatura constante. Si aumenta, entonces en este caso hay una disminución en el módulo. Las propiedades piezoeléctricas desaparecen a los 573 grados centígrados.
Descripción del dispositivo y circuitos de medida
El transductor de presión piezoeléctrico tiene la siguiente estructura:
- membrana, que es la parte inferior de la caja;
- el revestimiento exterior está conectado a tierra y el del medio está aislado con cuarzo;
- las placas tienen alta resistencia, conectadas en paralelo;
- la lámina y el núcleo interior del cable se fijan en un orificio cerrado con una tapa.
La potencia de salida es mínima, en este sentido, se proporciona un amplificador con una gran resistencia. Esencialmente, el voltaje depende de la capacitancia del circuito de entrada. Las características del transductor indican sensibilidad y capacitancia. Básicamente, esta es la carga y los indicadores propios del dispositivo. Si se calcula en total, se obtendrá la siguiente potencia de salida: Sq =q/F o Uxx=re11 F/Co.
Para expandir el rango de frecuencia, es necesario aumentar las variables bajas medidas hacia un circuito de tiempo constante. Es fácil hacer esto encendiendocondensadores que se encuentran en paralelo con el dispositivo. En este caso, sin embargo, el voltaje de salida disminuirá. La resistencia que se ha aumentado ampliará el rango sin pérdida de sensibilidad. Pero para aumentarlo, se necesitan calidades de aislamiento mejoradas y amplificadores con una entrada de alta resistencia.
Descripción de los circuitos de medida
La resistencia específica y de la superficie determinan su propia resistencia, y el componente principal del cuarzo es más alto, por lo que el transductor piezoeléctrico debe sellarse. Como resultado, se mejora la calidad y la superficie se protege de la humedad y la suciedad. Los circuitos de medición de sensores se crearon como amplificadores de alta resistencia, que se basaron en una etapa de salida de transistor de efecto de campo y un amplificador no inversor con un dispositivo operativo. Se suministra voltaje a la entrada y salida.
Sin embargo, este transductor piezoeléctrico obsoleto tenía fallas:
- dependencia de la tensión de salida y la sensibilidad en relación con el volumen del sensor;
- capacidad inestable que cambia debido a las condiciones de temperatura.
El voltaje del amplificador y la sensibilidad están determinados por el error permisible, si el volumen estable incluido se complementa con C1. Fórmula: ys=(ΔCo + ΔCk)/(Co+Ck +C1). Después de la transformación obtenemos: S=Ubx/F. Si el coeficiente aumenta, respectivamente, y estas variables aumentan. El circuito de medida se caracteriza por:
- línea de tiempo constante;
- la resistencia R está determinada por la ganancia de entrada, el aislamiento de los sensores, los cables y R3;
- Los transistores MOS son más potentes que los dispositivos de campo pero tienen un alto nivel de ruido;
- R3 estabiliza el voltaje, su valor se calcula como ~ 1011 Ohm.
Analizando la última variable, podemos suponer que la línea de tiempo constante es la siguiente: t ≦ 1c. Los dispositivos actuales pueden usar sensores piezoeléctricos con amplificadores de voltaje para cargar.
Ventajas del dispositivo
El transductor piezoeléctrico tiene las siguientes ventajas:
- fácil montaje estructural;
- dimensiones;
- fiabilidad;
- conversión de tensión mecánica en carga eléctrica;
- variables que se pueden medir rápidamente.
En el caso de un material como el cuarzo, que se acerca al estado ideal del cuerpo, la transformación de la mecánica en una carga eléctrica es posible con un error mínimo de -4 a -6. Sin embargo, el desarrollo de la tecnología de alta precisión ha mejorado la capacidad de lograr una precisión sin pérdidas. Como resultado, podemos concluir que estos transductores piezoeléctricos son los más adecuados para medir fuerzas, presiones y otros elementos.
La aceleración
PET tiene la siguiente estructura:
- todos los materiales están unidos a la base de titanio;
- dos elementos piezoeléctricos encendidos simultáneamentede cuarzo;
- masa inercial de alta densidad diseñada para dimensiones mínimas;
- eliminación de señales con lámina de latón;
- ella a su vez va conectada a un cable que va soldado;
- sensor cubierto por una tapa atornillada en la base;
- para fijar el medidor en el objeto, corte el hilo.
A pesar de la masa, el sensor es bastante estable y denso. Opera a 150 m/s2.
Características de diseño de los convertidores
Si es necesario fabricar un sensor de acelerómetro, es importante fijar correctamente las placas de detección piezoeléctrica a la base. Esta acción se lleva a cabo mediante soldadura. El cable debe cumplir los siguientes requisitos:
- la resistencia del aislamiento debe ser alta;
- la pantalla se coloca junto a la sala de estar;
- antivibración;
- flexibilidad.
Es decir, no se debe sacudir el cable en la entrada del amplificador. El circuito de medición se crea simétricamente para que no se produzcan interferencias. En el sensor, la conexión es asimétrica, la resistencia de los cables y la caja se conectan de tal manera que se obtiene el aislamiento de las placas exteriores. Para lograr el resultado deseado, se requiere que el medidor esté hecho de un número impar de materiales que se usan en el proceso. Los elementos se presionan contra el amplificador a través de orificios en la parte central y a través de aisladores que se atornillan a la caja.
Características de los dispositivos de medición de vibraciones
Para aumentar la sensibilidad del dispositivo de medición, es necesario utilizar elementos piezoeléctricos de alto módulo. Esteel material se coloca en paralelo en una fila y se conecta con juntas y placas de metal. Para un efecto similar, todavía se pueden usar sustancias que actúan sobre la flexión. Sin embargo, son de baja frecuencia e inferiores a la mecánica de compresión.
El material puede ser bimorfo, se suele recoger en serie o en paralelo, todo depende de los ejes situados positivamente. Como regla general, estas son dos placas. Si se tiene en cuenta la capa neutra, en lugar de un elemento piezoeléctrico se puede utilizar una capa de metal de espesor medio.
Para medir señales que se mueven lo suficientemente lento, haga lo siguiente:
- transductor piezoeléctrico incluido en el oscilador;
- el cristal está en frecuencia resonante;
- tan pronto como se produzca la carga, los indicadores cambiarán.
Hoy en día, los acelerómetros piezoeléctricos son dispositivos avanzados que pueden ser de alta frecuencia, con una gran sensibilidad.
Fuente de energía alternativa a través de convertidores
Uno de los famosos e inagotables medios para generar electricidad es la energía de las olas. Estas estaciones se montan directamente en el medio acuático. Este fenómeno está asociado con los rayos del sol, que calientan la masa de aire, por lo que surgen ondas. El eje de este fenómeno tiene una intensidad energética, que está determinada por la fuerza del viento, el ancho de los frentes de aire, la duración de las rachas.
El valor puede fluctuar en aguas poco profundas o alcanzar los 100 kW por metro. El convertidor piezoeléctrico de energía de las olas funciona de acuerdo con cierto principio. El nivel del agua sube por medio de una ola, en el proceso el aire sale del recipiente. Luego, los flujos pasan a través de una turbina inversora. La unidad gira en una determinada dirección, independientemente del movimiento de las olas.
Este dispositivo tiene una característica positiva. Hasta el día de hoy, no se prevé la mejora del diseño, porque la eficiencia y el principio de funcionamiento han sido probados en todas las formas existentes. En el proceso de progreso tecnológico, se pueden construir estaciones flotantes.
Transductor piezoeléctrico ultrasónico
Este dispositivo está diseñado de tal manera que no requiere configuraciones adicionales. Está equipado con un bloque de memoria, que da el resultado técnico. Se refiere a dispositivos de control y medición. Dichos dispositivos difieren en tipo, características técnicas, que se compilan sobre la base de datos de diseño y propósito con errores mínimos. Todos los requisitos se consideran en función del diseño.
Para todos estos dispositivos, se proporciona un esquema de creación estándar: un detector de fallas, una carcasa, electrodos, el elemento principal que se sujeta a la base, un núcleo, una lámina y otros materiales. Un transductor piezoeléctrico ultrasónico es un modelo de utilidad. Te permite recibir datos directamente usando el sonido instalado en la base del dispositivo.
Aplicaciones de transductores piezoeléctricos
Dispositivos conefecto directo se utilizan en instrumentos que miden fuerza, presion, aceleracion. Tienen un alto nivel de frecuencia y aspereza. El aparato con retroalimentación se utiliza en vibraciones ultrasónicas, la conversión de tensión en deformación, equilibrio. Si se tienen en cuenta ambos efectos al mismo tiempo, esta opción es adecuada para piezorresonadores que convierten un tipo de energía en otro con bastante rapidez.
Dispositivos positivos, conectados en dirección opuesta, operan en oscilaciones automáticas y se utilizan en generadores. El alcance de su aplicación es extenso, ya que tienen una alta estabilidad cuando se crean correctamente. A menudo, se utilizan varios resonadores piezoeléctricos para lograr el efecto deseado y obtener la información correcta.
Desventajas de los convertidores
Estos dispositivos tienen una gran cantidad de aspectos positivos. Sin embargo, también tienen características negativas:
- resistencia de salida - máxima;
- los circuitos y cables de medición deben crearse en base a estrictos requisitos y directrices.
El cálculo del transductor piezoeléctrico inicialmente deriva la fórmula de la ecuación para la frecuencia resonante: Fp =0.24 ·c·. Grosor de la placa: h=Fp a2 / 0,24 c=35 103 25 10 -6/ 0,24 2900=1,257 10-3m. Las características energéticas se calculan de la siguiente manera: Wak =Wak.ud S=40 4,53 10-3.
