цифровая электроника
вычислительная техника
встраиваемые системы

 
» » Что такое пьезоэлектрический датчик: его понимание и моделирование

Что такое пьезоэлектрический датчик: его понимание и моделирование

Автор: Mike(admin) от 17-10-2018, 08:15

Большинство из нас знакомо с пьезоэлектрическим эффектом благодаря его роли в формировании высокоточных сигналов синхронизации. Бесчисленные электронные устройства синхронизируются с помощью осцилляторных схем, построенных вокруг кристалла кварца. Однако кварц является лишь одним из многих материалов, которые демонстрируют пьезоэлектрическое поведение, а функциональность пьезоэлектрических компонентов не ограничивается генерированием тактовых сигналов.


Что такое пьезоэлектрический датчик

Не будем останавливаться на физике пьезоэлектричества; это широкий вопрос, который достоин отдельного материала. Суть в том, что пьезоэлектрический эффект является мостом между механическим миром и электрическим миром.


Вы можете применить все виды физической силы к транзисторам, светодиодам, резисторам и т. д., и при этом вы вряд ли создадите какую-либо полезную функциональность. Исключением являются пьезоэлектрические устройства. Их электрическое поведение реагирует предсказуемым образом на механическую силу, а умные люди открыли различные способы использования этого явления в мире технологий. В пьезоэлектрических материалах физическая деформация кристаллической структуры, как показано на рисунке ниже, заставляет материал вырабатывать электрический заряд.


Что такое пьезоэлектрический датчик

Слово «преобразователь» или «трансдюсер» обычно относится к устройству, которое выполняет преобразование между физическим миром и электрическим миром. Таким образом, преобразователь – это то, что ведет сигнал через границу, которая отделяет, например, механические отклонения от электрических изменений.


Преобразователь не обязательно является датчиком. Строго говоря, двигатель или соленоид – это преобразователь, поскольку он преобразует электрический сигнал в механическое движение. Когда мы рассматриваем природу пьезоэлектрического эффекта, неудивительно, что пьезоэлектрическое устройство может функционировать как датчик силы: использование пьезоэлектрического материала позволяет датчику реагировать надежным и предсказуемым образом на механическое напряжение, вызванное приложенной силой, давлением или ускорением (оба последних связаны с силой).


Для понимания пьезоэлектрического преобразователя его лучше смоделировать. В данном случае мы могли бы думать о пьезоэлектричестве как об эффекте, который преобразует механическое напряжение в напряжение электрическое, но более точная интерпретация заключается в следующем: пьезоэлектрический преобразователь генерирует электрический заряд в ответ на механическое напряжение. Математическая связь между силой, приложенной к пьезоэлектрическому материалу, и количеством генерируемого заряда определяется коэффициентом, обозначаемым d и выраженным в кулонах на ньютон. (одно из названий этого значения – «пьезоэлектрическая константа заряда», но используются не менее трех разных терминов, будем называть его «коэффициентом» или «пьезоэлектрическим коэффициентом»). Таким образом, если пьезоэлектрический материал имеет коэффициент из 200 пикокулонов на ньютон, он будет генерировать 200 × 10-12 кулонов заряда в ответ на приложенную силу в 1 ньютон.


Стандартные принципиальные схемы не включают источники заряда; двумя вариантами являются источники напряжения и источники тока. К счастью, мы можем легко создать источник тока на основе заряда, генерируемого пьезоэлектрическим преобразователем.


Во-первых, нам нужно вспомнить, что электрический ток (в амперах) представляет собой количество электрического заряда (в кулонах), который протекает в секунду через заданную часть схемы. Если мы переведем это утверждение на математический язык, можно сказать, что ток - это скорость изменения, т. е. производная заряда:


Что такое пьезоэлектрический датчик

Во-вторых, мы должны признать, что заряд, генерируемый пьезоэлектрическим преобразователем, не является неподвижным. Если устройство подключено к цепи, этот заряд будет двигаться и, таким образом, станет текущим. Это означает, что мы можем моделировать пьезоэлектрическое устройство с использованием источника тока, при этом значение тока равно производной заряда.


Что такое пьезоэлектрический датчик

Электрический заряд, генерируемый пьезоэлектрическим материалом, вводится в схему с помощью двух электродов. Результирующая физическая конфигурация – это нечто подобное следующему изображению:


Что такое пьезоэлектрический датчик

Как вы можете видеть, электроды образуют конденсатор, и эта емкость становится неотъемлемой частью эквивалентной схемы устройства:


Что такое пьезоэлектрический датчик

Мы можем рассчитать выходное напряжение эквивалентной схемы, обозначенное как VOUT на диаграмме, если вспомнить соотношение между напряжением и током в емкостной цепи. Напряжение равно интегралу тока по времени, деленному на емкость:


Что такое пьезоэлектрический датчик

Так как источник тока в нашей эквивалентной схеме равен производной заряда по времени, мы имеем:


Что такое пьезоэлектрический датчик

Здесь C – значение любой емкости параллельно с источником тока. Мы видели выше, что заряд, генерируемый пьезоэлектрическим устройством, равен приложенному усилию, умноженному на пьезоэлектрический коэффициент, и, следовательно, напряжение VOUT пропорционально приложенной силе, деленной на емкость.


Модель «источник тока плюс емкость» пьезоэлектрического преобразователя адекватна «динамическим» датчиковым приложениям, другими словами, приложениям с физическими условиями, которые являются временными по своей природе или постоянно изменяются. Если мы хотим, чтобы модель была более точной как общее представление пьезоэлектрической функциональности, нам нужно добавить параллельный резистор.


Что такое пьезоэлектрический датчик

Пьезоэлектрический материал генерирует электрический заряд в ответ на механическое напряжение, но этот заряд не остается навсегда. Скорее, сам материал функционирует как путь утечки, который заставляет заряд постепенно уменьшаться. Мы можем объяснить это поведение посредством добавления параллельный резистор к эквивалентной схеме.


Итак, мы рассмотрели пьезоэлектрический эффект в контексте электронных сенсорных устройств, и мы увидели, что пьезоэлектрическое устройство может быть представлено источником тока параллельно с конденсатором или источником тока параллельно с конденсатором и резистором.




© digitrode.ru


Теги: пьезодатчик




Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.

Комментарии:

Оставить комментарий