Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta gặp nhiều tình huống khác nhau mà chúng ta phải đo các đại lượng vật lý như ứng suất cơ học tác dụng lên kim loại, mức nhiệt độ, mức áp suất, v.v. Đối với tất cả các ứng dụng này, chúng ta cần một thiết bị có thể đo những đại lượng chưa biết này theo đơn vị và hiệu chuẩn quen thuộc với chúng tôi. Một trong những thiết bị hữu ích nhất đối với chúng tôi là MÁY BAY . Bộ chuyển đổi là một thiết bị điện có thể chuyển đổi bất kỳ loại đại lượng vật lý nào dưới dạng đại lượng điện tỷ lệ hoặc dưới dạng điện áp hoặc dòng điện . Từ một nhóm lớn các loại đầu dò khác nhau, bài viết này nhằm mục đích giải thích về đầu dò áp điện .
Bộ chuyển đổi áp điện là gì?
Các định nghĩa của một bộ chuyển đổi áp điện là một bộ chuyển đổi điện có thể chuyển đổi bất kỳ hình thức nào của đại lượng vật lý thành tín hiệu điện , có thể được sử dụng để đo lường. Một bộ chuyển đổi điện sử dụng các đặc tính của vật liệu áp điện để chuyển đổi các đại lượng vật lý thành tín hiệu điện được gọi là bộ chuyển đổi áp điện.
Bộ chuyển đổi áp điện
Vật liệu áp điện thể hiện tính chất của áp điện , theo đó khi áp dụng bất kỳ loại ứng suất hoặc biến dạng cơ học nào dẫn đến việc tạo ra điện áp tỷ lệ với ứng suất tác dụng. Điện áp sinh ra này có thể được đo bằng điện áp dụng cụ đo lường để tính toán giá trị của ứng suất hoặc biến dạng tác dụng lên vật liệu.
Các loại vật liệu áp điện
Một số loại vật liệu áp điện là:
Những người có sẵn tự nhiên: Thạch anh, muối Rochelle, Topaz, khoáng chất nhóm Tourmaline, và một số chất hữu cơ như tơ, gỗ, men, xương, tóc, cao su, ngà răng. Sản xuất nhân tạo vật liệu áp điện là Polyvinylidene difluoride, PVDF hoặc PVF2, Bari titanate, Chì titanate, Chì zirconate titanate (PZT), Potassium niobate, Lithium niobate, Lithium tantalate và các loại gốm áp điện không chì khác.
Không phải tất cả các vật liệu áp điện đều có thể được sử dụng trong đầu dò áp điện . Vật liệu áp điện được sử dụng làm đầu dò phải đáp ứng một số yêu cầu nhất định. Các vật liệu được sử dụng cho mục đích đo lường phải có độ ổn định tần số, giá trị đầu ra cao, không nhạy cảm với điều kiện nhiệt độ và độ ẩm khắc nghiệt và có thể có nhiều hình dạng khác nhau hoặc phải linh hoạt để sản xuất thành nhiều hình dạng khác nhau mà không ảnh hưởng đến tính chất của chúng.
Thật không may, không có vật liệu áp điện nào có tất cả các đặc tính này. Thạch anh là một tinh thể có độ ổn định cao, có sẵn trong tự nhiên nhưng nó có mức sản lượng nhỏ. Các thông số thay đổi từ từ có thể được đo bằng thạch anh. Muối Rochelle cho giá trị đầu ra cao nhất nhưng nó nhạy cảm với các điều kiện môi trường và không thể hoạt động trên 1150F.
Bộ chuyển đổi áp điện làm việc
Bộ chuyển đổi áp điện hoạt động theo nguyên lý áp điện. Các mặt của vật liệu áp điện, thạch anh thông thường, được phủ một lớp vật liệu dẫn điện mỏng như bạc. Khi ứng suất tác dụng, các ion trong vật liệu sẽ di chuyển về phía một trong những bề mặt dẫn trong khi di chuyển ra khỏi bề mặt kia. Điều này dẫn đến việc tạo ra điện tích. Phí này được sử dụng để hiệu chuẩn ứng suất. Cực của điện tích được tạo ra phụ thuộc vào hướng của ứng suất tác dụng. Ứng suất có thể được áp dụng ở hai dạng là C căng thẳng ấn tượng và Căng thẳng kéo như hình bên dưới.
Hoạt động của một bộ chuyển đổi áp điện
Công thức đầu dò áp điện
Sự định hướng của tinh thể cũng ảnh hưởng đến lượng điện áp được tạo ra. Tinh thể trong đầu dò có thể được sắp xếp theo vị trí dọc hoặc là vị trí ngang .
Công thức đầu dò áp điện
Hiệu ứng dọc và ngang
Trong hiệu ứng dọc, điện tích tạo ra được cho bởi
Q = F * d
Trong đó F là lực tác dụng, d là hệ số áp điện của tinh thể.
Hệ số áp điện d của tinh thể thạch anh vào khoảng 2,3 * 10-12C / N.
Trong hiệu ứng ngang, điện tích tạo ra được cho bởi
Q = F * d * (b / a)
Khi tỷ số b / a lớn hơn 1, điện tích được tạo ra bởi sự sắp xếp theo chiều ngang sẽ lớn hơn lượng được tạo ra bởi sự sắp xếp theo chiều dọc.
Mạch chuyển đổi áp điện
Hoạt động của một bộ chuyển đổi áp điện cơ bản có thể được giải thích bằng hình dưới đây.
Mạch chuyển đổi áp điện
Ở đây tinh thể thạch anh được phủ bạc được sử dụng như một cảm biến để tạo ra một điện áp khi có ứng suất tác dụng lên nó. Bộ khuếch đại điện tích được sử dụng để đo điện tích được tạo ra mà không bị tiêu tán. Để tạo ra dòng điện rất thấp, điện trở R1 rất cao. Điện dung của dây dẫn nối đầu dò và cảm biến áp điện cũng ảnh hưởng đến việc hiệu chuẩn. Vì vậy bộ khuếch đại điện tích thường được đặt rất gần cảm biến.
Vì vậy, trong một bộ chuyển đổi áp điện khi có ứng suất cơ học, một điện áp tỷ lệ được tạo ra sẽ được khuếch đại bằng cách sử dụng bộ khuếch đại điện tích và được sử dụng để hiệu chuẩn ứng suất đặt.
Đầu dò siêu âm áp điện
Bộ chuyển đổi áp điện siêu âm hoạt động dựa trên nguyên tắc ngược hiệu ứng áp điện . Trong hiệu ứng này khi điện được đặt vào một vật liệu áp điện, nó bị biến dạng vật lý tỷ lệ với điện tích đặt vào. Mạch của Đầu dò siêu âm được đưa ra dưới đây.
Đầu dò áp điện siêu âm
Đây, tinh thể thạch anh được đặt giữa hai tấm kim loại A và B được nối với L3 sơ cấp của máy biến áp. Sơ cấp của máy biến áp được ghép cảm ứng với dao động điện tử . Các cuộn dây L1 và L2, tạo thành thứ cấp của máy biến áp, được nối với bộ dao động điện tử.
Khi pin được bật ON bộ dao động tạo ra xung điện áp xoay chiều cao tần có tần số f = 1 ÷ (2π√L1C1). Do đó, một e.m.f được tạo ra trong L3 được chuyển tới tinh thể thạch anh qua các tấm A và B. Do hiệu ứng áp điện đối nghịch, tinh thể bắt đầu co lại và giãn nở xen kẽ do đó tạo ra dao động cơ học.
Sự cộng hưởng diễn ra khi tần số của dao động điện tử bằng tần số tự nhiên của thạch anh. Tại thời điểm này, thạch anh tạo ra sóng siêu âm dọc của biên độ lớn.
Ứng dụng đầu dò áp điện
- Vì vật liệu áp điện không thể đo được các giá trị tĩnh nên chúng chủ yếu được sử dụng để đo độ nhám bề mặt, trong các máy đo gia tốc và như một bộ thu rung.
- Chúng được sử dụng trong máy đo địa chấn để đo độ rung của tên lửa.
- Trong đồng hồ đo biến dạng để đo lực, ứng suất, rung động, v.v.
- Được sử dụng bởi các ngành công nghiệp ô tô để đo kích nổ trong động cơ.
- Chúng được sử dụng trong hình ảnh siêu âm trong các ứng dụng y tế.
Ưu điểm và hạn chế của đầu dò áp điện
Những ưu điểm và hạn chế của đầu dò áp điện bao gồm những điều sau đây.
Ưu điểm
- Đây là những bộ chuyển đổi đang hoạt động, tức là chúng không yêu cầu nguồn điện bên ngoài để hoạt động và do đó tự tạo ra.
- Đáp ứng tần số cao của các đầu dò này là một lựa chọn tốt cho các ứng dụng khác nhau.
Hạn chế
- Điều kiện nhiệt độ và môi trường có thể ảnh hưởng đến hoạt động của đầu dò.
- Chúng chỉ có thể đo áp suất thay đổi do đó chúng vô dụng trong khi đo các thông số tĩnh.
Vì vậy, đây là tất cả về Bộ chuyển đổi áp điện , Nguyên lý làm việc, Công thức, Mạch có Làm việc, Ưu điểm, Hạn chế và cả Ứng dụng. Từ thông tin trên, có nhiều ứng dụng khác nhau của bộ chuyển đổi áp điện như chúng ta đã thảo luận. Bạn đã sử dụng bộ chuyển đổi áp điện cho ứng dụng nào? Kinh nghiệm của bạn như thế nào?
