מהו מתמר פיזואלקטרי? תרשים מעגלים, עבודה ויישומים

בחיי היום יום שלנו אנו נתקלים במצבים שונים בהם עלינו למדוד כמויות פיזיות כמו מתח מכני המופעל על מתכת, רמות טמפרטורה, רמות לחץ וכו '... לכל היישומים הללו אנו זקוקים למכשיר שיכול למדוד את הכמויות הלא ידועות הללו ביחידות ו כיולים המוכרים לנו. מכשיר אחד כזה שהשימושי ביותר עבורנו הוא מַתמֵר . המתמר הוא מכשיר חשמלי שיכול להמיר כל סוג של כמות פיזית בצורה של כמות חשמלית פרופורציונאלית גם כמתח או זרם חשמלי . מהמאגר הגדול של מתמרים מסוגים שונים, מאמר זה נועד להסביר אודותיו מתמרים פיזואלקטריים .

מהו מתמר פיזואלקטרי?

ה הגדרה של מתמר פיזואלקטרי הוא מתמר חשמלי שיכול להמיר כל צורה של כמות פיזית לאות חשמלי , שניתן להשתמש בהם למדידה. מתמר חשמלי המשתמש בתכונות של חומרים פיזואלקטריים להמרת כמויות פיזיות לאותות חשמליים מכונה a מתמר פיזואלקטרי.

מתמר פיזואלקטרי

חומרים פיזואלקטריים מציגים את הרכוש של פיזואלקטריה , לפיה על יישום כל סוג של מתח או מתח מכני מוביל לייצור מתח חשמלי שמיוחד למתח המופעל. ניתן למדוד מתח חשמלי זה באמצעות מתח כלי מדידה לחישוב ערך המתח או המתח המופעל על החומר.

סוגי חומרים פיזואלקטריים

כמה מסוגי החומרים הפיזואלקטריים הם:

טבעיים הזמינים: קוורץ, מלח רושל, טופז, מינרלים מקבוצת טורמלין, וכמה חומרים אורגניים כמו משי, עץ, אמייל, עצם, שיער, גומי, דנטין. מייצר באופן מלאכותי חומרים פיזואלקטריים הם פוליווינידידן דיפלואוריד, PVDF או PVF2, בריום טיטנאט, עופרת טיטנאט, עופרת זירקונייט טיטנאט (PZT), אשלגן ניובט, ליתיום ניובאט, ליתיום טנטלט וקרמיקה פיזואלקטרית ללא עופרת אחרת.

לא ניתן להשתמש בכל החומרים הפיזואלקטריים מתמרים פיזואלקטריים . ישנן דרישות מסוימות שיש לעמוד בחומרים הפיזואלקטריים שישמשו כמתמרים. על החומרים המשמשים למטרות מדידה להיות בעלי יציבות תדרים, ערכי תפוקה גבוהים, חסרי רגישות לתנאי הטמפרטורה והלחות הקיצוניים ואשר יכולים להיות זמינים בצורות שונות או להיות גמישים לייצור בצורות שונות מבלי להפריע לתכונותיהם.

למרבה הצער, אין חומר פיזואלקטרי המכיל את כל המאפיינים הללו. קְוָרץ הוא גביש יציב מאוד אשר זמין באופן טבעי אך יש לו רמות תפוקה קטנות. לאט לאט ניתן למדוד פרמטרים בעזרת קוורץ. מלח רושל נותן את ערכי התפוקה הגבוהים ביותר אך הוא רגיש לתנאי סביבה ולא ניתן להפעיל אותו מעל 1150F.

מתמר פיזואלקטרי עובד

מתמר פיזואלקטרי עובד עם העיקרון של פיזואלקטריה. פני החומר הפיזואלקטרי, קוורץ רגיל, מצופים בשכבה דקה של חומר מוליך כמו כסף. כאשר מתח מופעל היונים בחומר נעים לכיוון אחד המשטח המוליך תוך כדי התרחקות מהשני. כתוצאה מכך נוצר מטען. מטען זה משמש לכיול מתח. הקוטביות של המטען המיוצר תלויה בכיוון הלחץ המופעל. ניתן להפעיל לחץ בשתי צורות כמו C לחץ אומפרסיבי ו מתח מתיחה כפי שמוצג מטה.

עבודה של מתמר פיזואלקטרי

פורמולת מתמר פיזואלקטרית

כיוון הגביש משפיע גם על כמות המתח שנוצר. ניתן לארגן קריסטל במתמר מיקום אורכי אוֹ מיקום רוחבי .

פורמולת מתמר פיזואלקטרית

השפעה אורכית ורוחבית

בהשפעה האורכית, המטען שנוצר ניתן על ידי

ש = F * ד

כאשר F הוא הכוח המופעל, d הוא המקדם הפיזואלקטרי של הגביש.

המקדם הפיזואלקטרי d של גביש קוורץ הוא סביב 2.3 * 10^-12C / N.

בהשפעה רוחבית, המטען שנוצר ניתן על ידי

Q = F * d * (b / a)

כאשר היחס b / a גדול מ -1 המטען המיוצר על ידי סידור רוחבי יהיה גדול מהכמות שנוצרת על ידי סידור אורכי.

מעגל מתמר פיזואלקטרי

ניתן להסביר את עבודתו של מתמר פיזואלקטרי בסיסי באיור שלהלן.

מעגל מתמר פיזואלקטרי

כאן משמש גביש קוורץ מצופה כסף כחיישן להפקת מתח כאשר מתח מופעל עליו. מגבר טעינה משמש למדידת המטען המיוצר ללא פיזור. כדי למשוך זרם נמוך מאוד ההתנגדות R1 גבוהה מאוד. הקיבול של חוט העופרת המחבר בין המתמר לבין חיישן פיזואלקטרי משפיע גם על הכיול. כך שמגבר הטעינה בדרך כלל ממוקם קרוב מאוד לחיישן.

כך שבמתמר פיזואלקטרי כאשר מפעילים מתח מכני נוצר מתח חשמלי פרופורציונלי המוגבר באמצעות מגבר מטען ומשמש לכיול מתח מופעל.

מתמר קולי פיזואלקטרי

המתמר הפיזואלקטרי הקולי פועל על פי עקרון השיחה אפקט פיזואלקטרי . בהשפעה זו כאשר חשמל מופעל על חומר פיזואלקטרי, הוא עובר עיוותים פיזיים ביחס למטען המופעל. המעגל של מתמר קולי מובא להלן.

מתמר פיזואלקטרי קולי

הנה ה קריסטל קוורץ ממוקם בין שתי לוחות מתכת A ו- B המחוברים ל- L3 הראשוני של השנאי. העיקרי של השנאי מצורף באופן אינדוקטיבי ל- מתנד אלקטרוני . הסלילים L1 ו- L2, המהווים משני לשנאי, מחוברים למתנד האלקטרוני.

כאשר הסוללה מופעלת, המתנד מייצר פעימות מתח לסירוגין בתדירות גבוהה עם תדר f = 1 ÷ (2π√L1C1). בשל כך, e.mf מושרה ב- L3 אשר מועבר לקריסטל הקוורץ דרך לוחות A ו- B. בשל אפקט פיזואלקטרי משוחח הגביש מתחיל להתכווץ ולהתרחב לחלופין ובכך ליצור רעידות מכניות.

תהודה מתרחשת כאשר תדירות ה- מתנד אלקטרוני שווה לתדירות הטבעית של קוורץ. בשלב זה קוורץ מייצר גלים אולטראסוניים אורכיים עם משרעת גדולה.

יישומי מתמר פיזואלקטריים

• מכיוון שחומרים פיזואלקטריים אינם יכולים למדוד ערכים סטטיים, הם משמשים בעיקר למדידת חספוס פני השטח, במדי תאוצה וכטנדר רטט.
• הם משמשים ב סייסמוגרפים למדוד רעידות ברקטות.
• במדידת המתח למדידת כוח, מתח, רעידות וכו '...
• משמש לתעשיות הרכב למדידת פיצוצים במנועים.
• אלה משמשים ב הדמיה קולי ביישומים רפואיים.

יתרונות ומגבלות של מתמרים פיזואלקטריים

היתרונות והמגבלות של מתמרים פיזואלקטריים כוללים את הדברים הבאים.

יתרונות

• אלה הם מתמר פעיל כלומר הם אינם דורשים כוח חיצוני לעבודה ולכן הם מייצרים את עצמם.
• התגובה בתדירות גבוהה של מתמרים אלה עושה בחירה טובה עבור יישומים שונים.

מגבלות

• תנאי טמפרטורה וסביבה יכולים להשפיע על התנהגות המתמר.
• הם יכולים למדוד רק לחץ משתנה ולכן הם חסרי תועלת בעת מדידת פרמטרים סטטיים.

לפיכך, זה הכל בערך מתמר פיזואלקטרי , עקרון עבודה, נוסחה, מעגל עם עבודה, יתרונות, מגבלות, וגם יישומים. מהמידע לעיל, ישנם יישומים שונים של מתמר פיזואלקטרי כפי שדנו. לאיזה יישום השתמשת במתמר הפיזואלקטרי? איך הייתה החוויה שלך?