Need muundurid kuuluvad generaatorite alarühma, põhinevad mehaaniliselt akumuleeritud elektrilaengutel. Selle tulemusena eristatakse järgmist seost: Q=d P. Sel juhul d on piesoelektriline moodul ja P on jõud. Materjaliks on reeglina kvarts, turmaliin, lõõmutavad segud, baarium, plii. Piesoelektrilise muunduri projekteerimiseks on vaja kasutada koormusmustreid: kokkusurumine, painutamine, nihke, pinge.
Otsene ja vastupidine piesoelektriline efekt
Otsemõju iseloomustab järgmine: kasutatav kristalne materjal moodustab teatud järjekorras paiknevate laetud ioonide tõttu võre. Protsessi käigus erinevad osakesed vahelduvad ja kompenseerivad üksteist, mille tulemuseks on elektriline neutraalsus. Kristallidel on järgmised omadused:
- sümmeetria telje suhtes;
- eelmist vaadet arvestades ilmub võre vahelduvate ja kompenseerivate ioonidega.
Kui protsessis kasutatav materjal on suunatud jõule Fx, siis seedeformeerub, positiivsete ja negatiivsete laengute vaheline kaugus muutub ning suund antud teljel elektriseerub. Kõik see väljendub valemis q=d11Fx ja on võrdeline jõuga. Koefitsient on seotud aine ja selle olekuga, sellel on nimi - piesoelektriline moodul. Indeksid määratakse tugevuse ja serva järgi, kuid kui muudate suunda, on efekt erinev.
Otseprotsessis olev piesoelektriline muundur elektrifitseerib kristallid välisjõudude mõjul. See efekt ilmneb elektrikuteks olevate ainete mõjul. Mõõteriistade valmistamiseks vajate kvartskristalle. See tähendab, et piesoelektrilise muunduri tööpõhimõte on järgmine: otsese mõju korral toimub tegevus mehaanika kaudu ja vastupidi, kristallid deformeeruvad.
Täiendavad piesoefektid
Kristalli saab polariseerida, kui plaadile avaldavad jõud X- ja Y-telgedele. Fy – risti, Fz tasusid ei võeta. Kvartskristall paikneb kolmel koordinaatteljel. Piesoelektriliste muundurite kasutamiseks on vaja lõigata plaat, mis näitab efekti. Sellel on järgmine kirjeldus:
- kõrge tugevus;
- pinge lubatud kuni 108 N/m2, seega on võimalikud suured mõõdetavad jõud;
- jäikus ja elastsus;
- minimaalne hõõrdumine sees;
- stabiilsus,mis ei muutu;
- Valmistatud materjali maksimaalne kvaliteeditegur.
Kvartsplaate kasutatakse ainult rõhku ja jõudu mõõtvates andurites. Arvestades materjali kõvadust, on seda raske töödelda, seega luuakse sellest lihtne kujund. Moodul on konstantsel temperatuuril konstantne. Kui see suureneb, siis sel juhul toimub mooduli vähenemine. Piesoelektrilised omadused kaovad 573 kraadi Celsiuse juures.
Seadme ja mõõteahelate kirjeldus
Piesoelektrilisel rõhuanduril on järgmine struktuur:
- membraan, mis on korpuse alumine osa;
- välimine vooder on maandatud ja keskmine isoleeritud kvartsiga;
- plaadid on suure takistusega, ühendatud paralleelselt;
- kile ja kaabli sisemine südamik on kinnitatud kaanega suletud auku.
Väljundvõimsus on minimaalne, sellega seoses on ette nähtud suure takistusega võimendi. Põhimõtteliselt sõltub pinge sisendahela mahtuvusest. Anduri omadused näitavad tundlikkust ja mahtuvust. Põhimõtteliselt on see laadimine ja seadme enda indikaatorid. Kui arvutada kokku, siis saadakse järgmine väljundvõimsus: Sq =q/F või Uxx=d11 F/Co.
Sagedusvahemiku laiendamiseks on vaja suurendada mõõdetud madalaid muutujaid konstantse ajaahela suunas. Seda on lihtne teha sisselülitamisegakondensaatorid, mis asuvad seadmega paralleelselt. Sel juhul aga väljundpinge väheneb. Suurenenud takistus laiendab vahemikku ilma tundlikkust kaotamata. Kuid selle suurendamiseks on vaja paremaid isolatsiooniomadusi ja suure takistusega sisendiga võimendeid.
Mõõteahelate kirjeldus
Spetsiifiline ja pinnatakistus määravad ise ning kvartsi põhikomponent on kõrgem, seega peab piesoelektriline andur olema tihendatud. Tänu sellele paraneb kvaliteet ning pind on kaitstud niiskuse ja mustuse eest. Suurtakistusvõimenditena loodi andurite mõõteahelad, mis põhinesid väljatransistori väljundastmel ja mitteinverteerival võimendil koos tööseadmega. Pinge antakse sisendisse ja väljundisse.
Sellel aegunud piesoelektrilisel muunduril olid aga vead:
- väljundpinge ja tundlikkuse sõltuvus anduri helitugevusest;
- ebastabiilne võimsus, mis muutub temperatuuritingimuste tõttu.
Võimendi pinge ja tundlikkuse määrab lubatav viga, kui kaasasolevale stabiilsele helitugevusele lisandub C1. Valem: ys=(ΔCo + ΔCk)/(Co+Ck +C1). Pärast teisendust saame: S=Ubx/F. Kui koefitsient suureneb vastav alt ja need muutujad suurenevad. Mõõteahelat iseloomustab:
- pidev ajaskaala;
- takistus R määratakse sisendvõimenduse, andurite, kaablite isolatsiooni ja R3;
- MOS-transistorid on tugevamad kui väliseadmed, kuid neil on kõrge müratase;
- R3 stabiliseerib pinge, selle väärtus arvutatakse järgmiselt: ~ 1011 Ohm.
Viimast muutujat analüüsides võime eeldada, et konstantne ajajoon on järgmine: t ≦ 1c. Tänapäeva seadmed saavad laadimiseks kasutada piesoelektrilisi andureid koos pingevõimenditega.
Seadme eelised
Piesoelektrilisel muunduril on järgmised eelised:
- lihtne konstruktsiooni kokkupanek;
- mõõtmed;
- usaldusväärsus;
- mehaanilise pinge muundamine elektrilaenguks;
- muutujad, mida saab kiiresti mõõta.
Keha ideaalsele olekule lähedase materjali nagu kvarts puhul on mehaanika muundumine elektrilaenguks võimalik minimaalse veaga -4 kuni -6. Täppistehnoloogia areng on aga parandanud kadudeta täpsuse realiseerimise võimet. Selle tulemusena võime järeldada, et need piesoelektrilised muundurid on kõige sobivamad jõudude, rõhu ja muude elementide mõõtmiseks.
PET-kiirendusel on järgmine struktuur:
- kõik materjalid on kinnitatud titaanalusele;
- kaks üheaegselt sisse lülitatud piesoelektrilisi elementekvartsist;
- kõrge tihedusega inertsiaalne mass, mis on kavandatud minimaalsete mõõtmete jaoks;
- signaali eemaldamine messingfooliumiga;
- ta on omakorda ühendatud kaabliga, mis on joodetud;
- andur, mis on kaetud alusele keeratud korgiga;
- mõõturi objektile kinnitamiseks katkestage niit.
Vaatamata massile on andur üsna stabiilne ja tihe. Töötab kiirusel 150 m/s2.
Konverterite disainifunktsioonid
Kui on vaja valmistada kiirendusmõõturi andur, on oluline piesoanduri plaadid õigesti aluse külge kinnitada. See toiming viiakse läbi jootmise teel. Kaabel peab vastama järgmistele nõuetele:
- isolatsioonitakistus peaks olema kõrge;
- ekraan on paigutatud elutoa kõrvale;
- vibratsioonivastane;
- paindlikkus.
See tähendab, et kaablit ei tohi võimendi sisendis raputada. Mõõteahel luuakse sümmeetriliselt, et ei tekiks häireid. Anduris on ühendus asümmeetriline, juhtmete ja korpuse takistus on ühendatud nii, et saadakse välisplaatide isolatsioon. Soovitud tulemuse saavutamiseks peab arvesti olema valmistatud paaritu arvust materjalidest, mida protsessis kasutatakse. Elemendid surutakse vastu võimendit läbi keskosas olevate aukude ja läbi korpuse külge kruvitud isolaatorite.
Vibratsioonimõõteseadmete omadused
Mõõteseadme tundlikkuse suurendamiseks on vaja kasutada suure mooduliga piesoelektrielemente. Seematerjal asetatakse paralleelselt reas ja ühendatakse metalltihendite ja -plaatidega. Sarnase efekti saavutamiseks võib endiselt kasutada aineid, mis töötavad painutamisel. Siiski on need madala sagedusega ja halvemad kui tihendusmehaanika.
Materjal võib olla bimorfne, seda kogutakse tavaliselt järjestikku või paralleelselt, kõik oleneb positiivselt paiknevatest telgedest. Reeglina on need kaks plaati. Kui võtta arvesse neutraalset kihti, võib piesoelektrilise elemendi asemel kasutada keskmise paksusega metallist kattekihti.
Piisav alt aeglaselt liikuvate signaalide mõõtmiseks tehke järgmist.
- ostsillaatoris sisalduv piesoelektriline muundur;
- kristall on resonantssagedusel;
- niipea kui koormus tekib, muutuvad indikaatorid.
Tänapäeval on piesokiirendusmõõturid täiustatud seadmed, mis võivad olla kõrge sagedusega ja tugeva tundlikkusega.
Alternatiivne energiaallikas muundurite kaudu
Üks kuulsamaid ja ammendamatuid elektritootmise vahendeid on laineenergia. Sellised jaamad on paigaldatud otse veekeskkonda. Seda nähtust seostatakse päikesekiirtega, mis soojendavad õhumassi, mille tõttu tekivad lained. Selle nähtuse võllil on energiaintensiivsus, mille määrab tuule tugevus, õhufrontide laius, puhangute kestus.
Väärtus võib madalas vees kõikuda või ulatuda 100 kW-ni meetri kohta. Piesoelektrilise laine energiamuundur töötab teatud põhimõttel. Veetase tõuseb lainetuse abil, selle käigus pressitakse anumast õhk välja. Seejärel juhib voolud läbi tagurdava turbiini. Seade pöörleb kindlas suunas, olenemata lainete liikumisest.
Sellel seadmel on positiivne omadus. Tänaseni ei ole disaini paranemist ette näha, sest efektiivsus ja tööpõhimõte on kõigil olemasolevatel viisidel tõestatud. Tehnoloogilise arengu käigus võidakse ehitada ujuvjaamu.
Ultraheli piesoelektriline muundur
See seade on konstrueeritud nii, et see ei vaja lisaseadeid. See on varustatud mäluplokiga, mis annab tehnilise tulemuse. Viitab juhtimis- ja mõõteseadmetele. Sellised seadmed erinevad tüübi, tehniliste omaduste poolest, mis on koostatud konstruktsiooni- ja otstarbeandmete põhjal minimaalsete vigadega. Kõik nõuded arvestatakse disaini alusel.
Kõigi selliste seadmete jaoks on ette nähtud standardne loomise skeem: veadetektor, korpus, elektroodid, põhielement, mis kinnitatakse alusele, südamik, foolium ja muud materjalid. Ultraheli piesoelektriline muundur on kasulik mudel. See võimaldab teil andmeid otse vastu võtta, kasutades seadme põhjale installitud heli.
Piesoanduri rakendused
Seadmed koosotsemõju kasutatakse instrumentides, mis mõõdavad jõudu, rõhku, kiirendust. Neil on kõrge sageduse ja karmuse tase. Tagasiside aparaati kasutatakse ultraheli vibratsioonidel, pinge muundamisel deformatsiooniks, tasakaalustamisel. Kui arvestada mõlemat efekti korraga, siis sobib see valik piesoresonaatoritele, mis muundavad ühte tüüpi energiat üsna kiiresti teiseks.
Positiivsed seadmed, mis on ühendatud vastupidises suunas, töötavad automaatse võnkumisega ja neid kasutatakse generaatorites. Nende kasutusala on lai, kuna korralikult loodud on neil kõrge stabiilsus. Sageli kasutatakse soovitud efekti saavutamiseks ja õige teabe saamiseks mitut piesoresonaatorit.
Konverterite puudused
Neil seadmetel on tohutult palju positiivseid külgi. Siiski on neil ka negatiivseid omadusi:
- väljundtakistus – maksimaalne;
- mõõteahelad ja -kaablid tuleb luua rangete nõuete ja juhiste alusel.
Piesoelektrilise muunduri arvutamisel tuletatakse algselt resonantssageduse võrrandi valem: Fp =0,24 ·c·. Plaadi paksus: h=Fp a2 / 0,24 c=35 103 25 10 -6/ 0,24 2900=1,257 10-3m. Energiaomadused arvutatakse järgmiselt: Wak =Wak.ud S=40 4,53 10-3.
