2025/12/21 4,583

Pjezoelektrinis keitiklis: veikimo principas, konstrukcija, tipai, charakteristikos ir pritaikymas

Pjezoelektrinis keitiklis leidžia mechaninę jėgą paversti elektriniu signalu arba elektros energiją mechaniniu judesiu.Šiame straipsnyje sužinosite, kas yra pjezoelektrinis keitiklis, kaip jis pagamintas ir kaip veikia.Taip pat pamatysite įprastus jo tipus, pagrindines charakteristikas ir programas.

Katalogas

1 pav. Pjezoelektrinis keitiklis (pjezo disko elementas)

Kas yra pjezoelektrinis keitiklis?

Pjezoelektrinis keitiklis yra įtaisas, kuris mechaninę jėgą paverčia elektros energija arba elektros energiją mechaniniu judesiu.Jis veikia naudojant specialią medžiagą, kuri sukuria nedidelę įtampą spaudžiant, lenkiant ar vibruojant.Dėl šios savybės jis dažniausiai naudojamas aptikti slėgį, vibraciją, garsą ar judesį.Paprasta disko tipo struktūra su prijungtais laidais, kaip paprastai matoma praktinėje sąrankoje, leidžia mechaninį judėjimą lengvai konvertuoti į elektrinį signalą matavimo ar valdymo reikmėms.

Pjezoelektrinio keitiklio konstrukcija

2 pav. Pjezoelektrinio keitiklio konstrukcija

•Korpusas (plieninis)

Suteikia mechaninį stiprumą ir apsaugo keitiklį nuo išorinių pažeidimų.

•Atitinkamas sluoksnis (epoksidinė derva)

Padeda efektyviai perduoti mechaninę energiją į pjezoelektrinį elementą ir pagerina signalo veikimą.

•Pjezoelektrinė keramika

Aktyvus jutimo elementas, kuris sukuria elektros įtampą, kai veikia slėgis arba vibracija.

•Atraminis sluoksnis (epoksidinė derva)

Sugeria nepageidaujamas vibracijas ir kontroliuoja keitiklio atsaką.

•Inkapsuliatorius (guma)

Sandariai sandarina konstrukciją ir apsaugo nuo drėgmės, dulkių ir aplinkos poveikio.

Pjezoelektrinio keitiklio veikimo principas

Pjezoelektrinio keitiklio veikimo principas pagrįstas tam tikrų medžiagų gebėjimu reaguoti į mechaninį įtempį ir elektros energiją.Medžiagos viduje elektros krūviai pasislenka, kai veikia jėga arba įtampa.Šis elgesys pasireiškia dviem susijusiomis formomis, vadinamomis tiesioginiu pjezoelektriniu efektu ir atvirkštiniu pjezoelektriniu efektu.Kiekvienas poveikis paaiškina, kaip energija paverčiama iš vienos formos į kitą.

Tiesioginis pjezoelektrinis efektas

3 pav. Tiesioginis pjezoelektrinis efektas

Esant tiesioginiam pjezoelektriniam poveikiui, pjezoelektrinei medžiagai taikomas mechaninis įtempis arba deformacija.Kaip parodyta paveikslėlyje, spaudžiant arba pakraunant medžiagą vidiniai elektros krūviai pasislenka iš įprastų padėčių.Šis krūvio atskyrimas sukuria teigiamus ir neigiamus paviršius priešingose ​​medžiagos pusėse.Dėl to elektroduose susidaro nedidelė elektros įtampa.Išėjimo įtampa didėja, kai veikiama jėga arba vibracija tampa stipresnė, todėl keitiklis gali tiksliai pajusti slėgį, jėgą ar judesį.

Atvirkštinis pjezoelektrinis efektas

4 pav. Atvirkštinis pjezoelektrinis efektas

Esant atvirkštiniam pjezoelektriniam efektui, energijos konversija vyksta priešinga kryptimi.Pjezoelektrinei medžiagai tiekiama išorinė elektros įtampa.Kaip parodyta paveikslėlyje, veikiantis elektrinis laukas priverčia vidinius krūvius persireguliuoti.Dėl šio pertvarkymo medžiaga šiek tiek keičia formą plečiantis arba susitraukdama.Dėl fizinės deformacijos atsiranda mechaninis judėjimas arba vibracija, leidžianti pjezoelektriniam keitikliui generuoti judesį, garsą ar ultragarso bangas.

Pjezoelektrinių keitiklių elektrinės charakteristikos

Parametras	Specifikacija
Išvesties signalo tipas	Kintamosios srovės įtampa generuojama mechaniniu būdu streso
Elektros išvesties režimas	Įkrovimo režimo arba įtampos režimo veikimas
Išėjimo įtampos diapazonas	Nuo 10 mV iki 100 V, priklausomai nuo jėgos ir dydis
Įkrovimo jautrumas	1 pC vienam N iki 1000 pC vienam N
Įtampos jautrumas	1 mV vienam N iki 50 mV vienam N
Šaltinio talpa	100 pF iki 50 nF
Šaltinio varža	Labai didelis, paprastai didesnis nei 1 megaohm
Vidinis pasipriešinimas	Didesnis nei 10 gigaomų
Dažnio atsako diapazonas	Nuo 1 Hz iki 10 MHz, priklausomai nuo konstrukcijos
Rezonansinis dažnis	1 kHz iki 5 MHz tipiškas
Antirezonansinis dažnis	Šiek tiek didesnis nei rezonansinis dažnis
Išėjimo varža esant rezonansui	Maža varža rezonansiniame taške
Išėjimo varža ir antirezonansas	Labai didelė antirezonansinė varža tašką
Statinio matavimo galimybė	Netinka tikram nuolatinės srovės matavimui
Iškrovimo laiko konstanta	Nuo milisekundžių iki sekundžių, atsižvelgiant į apkrovą pasipriešinimas
Signalo poliškumas	Priklauso nuo streso krypties ir medžiagos orientacija
Dielektrinė konstanta	Nuo 100 iki 5000, priklausomai nuo medžiagos
Darbinė įtampa kaip pavara	10 V iki 1000 V kintamoji arba nuolatinė srovė
Energijos suvartojimas	Labai žemas jutiklio režimu
Triukšmo lygis	Labai mažas vidinis elektrinis triukšmas
Kabelio jautrumas	Didelis, paveiktas kabelio talpos
Reikalingas signalo kondicionavimas	Įkrovimo stiprintuvas arba didelės varžos įtampa stiprintuvas
Temperatūros stabilumas	Vidutinis, skiriasi priklausomai nuo pjezo medžiagos
Elektros nuostolių koeficientas	Žemas veikimo dažnis
Izoliacijos atsparumas	Paprastai didesnis nei 10 gigaomų
Išvesties tiesiškumas	Aukštas vardinėse mechaninėse ribose

Pjezoelektrinių keitiklių tipai

Pjezoelektriniai keitikliai yra įvairių tipų, kurių kiekvienas skirtas judesiui, slėgiui, garsui ar vibracijai pajusti arba generuoti tam tikroms matavimo ir valdymo programoms.

Pjezoelektrinis akselerometro keitiklis

Pagreičiui ir vibracijai matuoti naudojamas pjezoelektrinis akselerometro keitiklis.Jis veikia paverčiant mechaninį judesį elektriniu signalu, kai jutiklis juda.Palyginti su slėgio ar jėgos keitikliais, jis yra jautresnis greitiems pokyčiams ir aukšto dažnio virpesiams.Dėl to jis tinkamas mašinų stebėjimui ir vibracijos analizei.Jis dažniausiai naudojamas pramoninėse ir struktūrinėse sveikatos sistemose.

Pjezoelektrinis slėgio keitiklis

Pjezoelektrinis slėgio keitiklis matuoja dinaminius slėgio pokyčius ir paverčia juos elektros išvestimi.Skirtingai nuo statinio slėgio jutiklių, jis greitai reaguoja į greitus slėgio pokyčius.Palyginti su jėgos keitikliais, jis sukurtas specialiai skysčių ir dujų slėgio matavimui.Jis dažnai naudojamas vidaus degimo varikliuose ir hidraulinėse sistemose.Aukšto dažnio atsakas yra pagrindinis jo pranašumas.

Pjezoelektrinis jėgos keitiklis

Pjezoelektrinis jėgos keitiklis matuoja jėgą arba apkrovą generuojant krūvį.Kai veikiama jėga, pjezoelektrinis elementas sukuria apkrovai proporcingą elektrinį signalą.Palyginti su akselerometrais, jis sutelkia dėmesį į tiesioginę jėgą, o ne į judesį.Jis gerai atlieka dinaminės jėgos matavimą.Šis tipas plačiai naudojamas bandymams ir smūgių matavimams.

Pjezoelektrinis ultragarsinis keitiklis

Pjezoelektrinis ultragarsinis keitiklis generuoja ir aptinka ultragarso bangas.Jis paverčia elektros energiją aukšto dažnio garso bangomis ir priima atspindėtus signalus.Palyginti su mikrofonais, jis veikia daug aukštesniais dažniais, nepriklausančiais žmogaus klausai.Tai leidžia tiksliai nustatyti, vaizduoti ir išmatuoti atstumą.Jis dažniausiai naudojamas medicinos ultragarsu ir pramoniniam patikrinimui.

Pjezoelektrinis pavaros keitiklis

Pjezoelektrinės pavaros keitiklis paverčia elektros energiją tiksliu mechaniniu judesiu.Įjungus įtampą, ji išsiplečia arba susitraukia, kad sukurtų judėjimą.Skirtingai nuo jutiklio tipo keitiklių, jis daugiausia naudojamas įjungimui, o ne matavimui.Tai užtikrina labai mažą, bet tikslų poslinkį.Dėl to jis idealiai tinka tikslioms padėties nustatymo sistemoms.

Pjezoelektrinis mikrofono keitiklis

Pjezoelektrinis mikrofono keitiklis garso virpesius paverčia elektriniais signalais.Garso bangos sukelia pjezoelektrinės medžiagos vibraciją ir generuoja įtampą.Palyginti su ultragarsiniais keitikliais, jis veikia garso dažnių diapazone.Jis yra paprasto dizaino ir nereikalauja išorinės energijos jutimui.Šis tipas dažniausiai naudojamas pagrindinėse garso ir akustinėse aptikimo sistemose.

Pjezoelektrinis uždegimo keitiklis

Pjezoelektrinis uždegimo keitiklis sukuria aukštą įtampą, kai veikia mechaninė jėga.Paspaudus arba atsitrenkus į elementą, atsiranda kibirkštis be išorinės energijos.Palyginti su kitais pjezoelektriniais keitikliais, pagrindinis dėmesys skiriamas įtampos generavimui, o ne jutimui.Dėl to jis yra patikimas uždegimo tikslais.Jis plačiai naudojamas dujiniuose žiebtuvėliuose ir uždegimo sistemose.

Pjezoelektrinio keitiklio taikymas

Pjezoelektriniai keitikliai yra plačiai naudojami šiuolaikinėse technologijose, nes jie gali tiksliai paversti mechaninę energiją elektriniais signalais, kad būtų galima nustatyti, matuoti ir valdyti daugelyje pramonės šakų.

Medicininės ultragarso sistemos

Pjezoelektriniai keitikliai plačiai naudojami ultragarso aparatuose.Jie generuoja aukšto dažnio garso bangas ir priima atspindėtus signalus, kad susidarytų vaizdai.Tai padeda gydytojams saugiai matyti vidines kūno struktūras.Jie yra patikimi ir labai greitai reaguoja.

Vibracijos ir būklės stebėjimas

Šie keitikliai naudojami vibracijai aptikti mašinose ir konstrukcijose.Mechaninė vibracija analizei paverčiama elektriniu signalu.Tai padeda anksti nustatyti variklių, siurblių ir variklių gedimus.Tai pagerina saugumą ir sumažina priežiūros išlaidas.

Slėgio matavimo sistemos

Pjezoelektriniai keitikliai matuoja greitai besikeičiantį slėgį dujose ir skysčiuose.Jie gerai veikia ten, kur slėgio pokyčiai vyksta dideliu greičiu.Dėl to jie tinka varikliams ir hidraulinėms sistemoms.Jie nenaudojami pastoviam ar statiniam slėgiui.

Jėgos ir poveikio matavimas

Jie naudojami matuoti jėgą, apkrovą ir smūgį.Kai veikia jėga, susidaro elektros krūvis.Tai leidžia tiksliai išmatuoti dinamines jėgas.Jie yra įprasti atliekant bandymus ir medžiagų analizę.

Garso ir akustiniai įrenginiai

Pjezoelektriniai keitikliai naudojami mikrofonuose, garsiakalbiuose ir garso imtuvuose.Dėl garso vibracijos medžiaga generuoja elektrinį signalą.Jie yra paprasto dizaino ir labai patvarūs.Šie įrenginiai yra įprasti buitinėje elektronikoje.

Uždegimo ir kibirkšties generavimas

Uždegimo sistemose pjezoelektriniai keitikliai paspaudę sukuria aukštą įtampą.Ši įtampa sukuria kibirkštį nereikalaujant išorinės energijos.Jie dažniausiai naudojami dujiniuose žiebtuvėliuose ir viryklėse.Dizainas yra paprastas ir labai patikimas.

Pjezoelektrinio keitiklio privalumai ir apribojimai

Pjezoelektrinio keitiklio privalumai

• Jie labai jautrūs nedideliems jėgos ir vibracijos pokyčiams.

• Jie greitai reaguoja į dinaminius signalus.

• Jie veikia plačiame dažnių diapazone.

• Jų dydis yra mažas ir lengvas.

• Jutimo režimu jiems nereikia išorinės energijos.

• Jie yra patvarūs ir patikimi atšiauriomis sąlygomis.

Pjezoelektrinio keitiklio apribojimai

• Jie negali išmatuoti statinių ar pastovių jėgų.

• Jiems reikalingos specialios signalo kondicionavimo grandinės.

• Jų našumą veikia temperatūros pokyčiai.

• Išvesties signalas paprastai yra labai mažas.

• Kai kurios medžiagos gali įtrūkti esant dideliam įtempimui.

Pjezoelektrinis keitiklis prieš kitus keitiklius

Specifikacija	Pjezoelektrinis keitiklis	Įtempimo matuoklio keitiklis	Talpinis keitiklis	Indukcinis keitiklis	Optinis keitiklis
Išmatuotas kiekis	Jėga, slėgis, vibracija	Įtempimas ir jėga	Poslinkis, slėgis	Padėtis, poslinkis	Šviesa, padėtis, greitis
Veikimo principas	Pjezoelektrinis efektas	Atsparumo pasikeitimas	Talpos pokytis	Elektromagnetinė indukcija	Šviesos moduliacija
Išvesties signalo tipas	Įtampa arba įkrovimas	Atsparumo pasikeitimas	Talpos pokytis	Įtampa	Įtampa arba srovė
Statinio matavimo galimybė	Netinka	Tinka	Tinka	Tinka	Tinka
Dinaminio matavimo galimybė	Puikiai	Gerai	Vidutinis	Gerai	Puikiai
Tipiškas jautrumas	Aukštas	Vidutinis	Labai aukštas	Vidutinis	Labai aukštas
Dažnių diapazonas	1 Hz iki daugiau nei 1 MHz	Iki 10 kHz	Iki 100 kHz	Iki 50 kHz	Virš 1 MHz
Reagavimo laikas	Labai greitas iki 1 mikrosekundės	Lėtas ar vidutinio sunkumo	Greitai	Vidutinis	Itin greitai
Išėjimo varža	Labai aukštas virš 1 Mohm	Žemas nuo 120 iki 350 omų	Aukštas	Žemas	Žemas
Temperatūros jautrumas	Vidutinis	Aukštas	Vidutinis	Žemas	Žemas
Reikalingas signalo kondicionavimas	Privaloma	Privaloma	Privaloma	Privaloma	Minimalus
Galios reikalavimas	Nėra išorinės galios jutimui	Reikalinga sužadinimo įtampa	Reikalinga sužadinimo įtampa	Reikalinga sužadinimo įtampa	Reikalingas maitinimo šaltinis
Dydis ir svoris	Labai mažas ir lengvas	Mažas	Mažas	Vidutinis	Mažas
Aplinkos atsparumas	Aukštas	Vidutinis	Vidutinis	Aukštas	Vidutinis
Programos	Vibracijos stebėjimas, ultragarsas	Apkrovos elementai, svėrimo sistemos	Padėties ir lygio jutimas	Artumo ir padėties jutimas	Koderiai, šviesolaidiniai jutikliai

Išvada

Pjezoelektriniai keitikliai veikia per tiesioginius ir atvirkštinius pjezoelektrinius efektus, kad pajustų arba generuotų judesį ir elektrinius signalus.Jie pasižymi dideliu jautrumu, greitu atsaku ir plačiu dažnio veikimu dinaminiams matavimams, tokiems kaip vibracija, slėgis, jėga ir garsas.Įvairūs tipai naudojami jutimo, įjungimo ir uždegimo tikslais daugelyje pramonės šakų.Tačiau jie netinka statiniams matavimams ir reikalauja tinkamo signalo kondicionavimo.