V oblasti moderného priemyslu a vedeckého výskumu je meranie tlaku základnou úlohou, ktorá je základom nespočetných aplikácií, od automobilových systémov po leteckú techniku, od medicínskych zariadení po monitorovanie životného prostredia. Spomedzi rôznych typov dostupných snímačov tlaku vyniká piezoelektrický snímač tlaku ako spoľahlivé a všestranné riešenie. Ako popredný dodávateľ snímačov tlaku dobre poznáme princíp fungovania piezoelektrických snímačov tlaku a v tomto blogu sa ponoríme do detailov fungovania týchto pozoruhodných zariadení.
Pochopenie piezoelektriky
Základ piezoelektrického tlakového meniča spočíva v piezoelektrickom jave. Pojem „piezo“ pochádza z gréckeho slova „piezein“, čo znamená stlačiť alebo stlačiť. Piezoelektrický efekt, ktorý v roku 1880 objavili bratia Curieovci, Jacques a Pierre, opisuje schopnosť určitých materiálov generovať elektrický náboj v reakcii na aplikované mechanické namáhanie.
Piezoelektrické materiály sú kryštály alebo keramika, ktoré majú špecifickú molekulárnu štruktúru. Vo svojom prirodzenom stave sú kladné a záporné náboje v materiáli rovnomerne rozdelené, výsledkom čoho je nulový čistý náboj. Pri pôsobení vonkajšej sily sa však štruktúra materiálu deformuje. Táto deformácia spôsobuje premiestnenie kladných a záporných nábojov v materiáli, čo vedie k vytvoreniu rozdielu elektrického potenciálu v materiáli.
Tento rozdiel elektrického potenciálu je úmerný veľkosti aplikovaného mechanického napätia. Meraním tohto elektrického výkonu môžeme presne určiť veľkosť tlaku aplikovaného na piezoelektrický materiál. Najbežnejšie používanými piezoelektrickými materiálmi v tlakových meničoch sú kryštály kremeňa, keramika zirkoničitan titaničitý (PZT) a polyméry polyvinylidénfluoridu (PVDF). Každý z týchto materiálov má svoje vlastné jedinečné vlastnosti, ako je citlivosť, teplotná stabilita a doba odozvy, vďaka ktorým sú vhodné pre rôzne aplikácie.
Pracovné komponenty piezoelektrického snímača tlaku
Piezoelektrický snímač tlaku sa zvyčajne skladá z niekoľkých kľúčových komponentov: piezoelektrický prvok, membrána snímajúca tlak, kryt a elektrické spojenia.
Piezoelektrický prvok je srdcom meniča. Zvyčajne ide o tenkú doštičku alebo kryštál piezoelektrického materiálu. Keď sa na prevodník pôsobí tlakom, tento prvok je vystavený mechanickému namáhaniu a vytvára elektrický náboj.
Tlakovo snímacia membrána je tenká, pružná membrána, ktorá prenáša aplikovaný tlak na piezoelektrický prvok. Je navrhnutý tak, aby bol vysoko citlivý na zmeny tlaku a zároveň zostal dostatočne robustný, aby odolal príslušným silám. Membrána je zvyčajne vyrobená z materiálu, ako je nehrdzavejúca oceľ alebo špeciálna zliatina, ktorá poskytuje dobré mechanické vlastnosti a odolnosť proti korózii.
Kryt prevodníka chráni vnútorné komponenty pred faktormi prostredia, ako je vlhkosť, prach a mechanické poškodenie. Poskytuje tiež montážnu štruktúru pre prevodník, čo umožňuje jeho jednoduchú integráciu do rôznych systémov. Kryt je často vyrobený z odolného materiálu, ako je hliník alebo nehrdzavejúca oceľ.
Elektrické spojenia sa používajú na prenos elektrického signálu generovaného piezoelektrickým prvkom do meracieho alebo riadiaceho systému. Tieto spojenia môžu byť vo forme vodičov, kolíkov alebo konektorov, v závislosti od konštrukcie prevodníka.
Pracovný proces piezoelektrického snímača tlaku
Keď je tlakový prevodník vystavený zdroju tlaku, tlak pôsobí na tlakovú - snímaciu membránu. Membrána sa potom deformuje v reakcii na tlak a táto deformácia sa prenáša na piezoelektrický prvok.
Keď sa piezoelektrický prvok deformuje, generuje elektrický náboj podľa piezoelektrického javu. Množstvo generovaného náboja je priamo úmerné veľkosti použitého tlaku. Tento náboj sa potom zhromažďuje pomocou elektród pripojených k piezoelektrickému prvku.
Elektródy sú pripojené k elektrickému výstupu prevodníka. Elektrický výstup môže byť vo forme napätia alebo prúdu, v závislosti od konštrukcie prevodníka. Vo väčšine prípadov je výstupom veľmi malý elektrický signál, ktorý je potrebné zosilniť a spracovať signálovo - kondicionačným obvodom.
Obvod úpravy signálu zvyčajne obsahuje zosilňovač, filter a analógovo-digitálny prevodník (ADC). Zosilňovač zvyšuje amplitúdu elektrického signálu na úroveň, ktorú možno ľahko merať a spracovať. Filter odstraňuje zo signálu akýkoľvek nežiaduci šum alebo rušenie. ADC prevádza analógový elektrický signál na digitálny signál, ktorý môže byť ďalej spracovaný mikrokontrolérom alebo počítačom.
Výhody piezoelektrických tlakových meničov
Piezoelektrické snímače tlaku ponúkajú niekoľko výhod oproti iným typom snímačov tlaku.
Po prvé, majú veľmi vysokú citlivosť. Dokážu detekovať veľmi malé zmeny tlaku, vďaka čomu sú vhodné pre aplikácie, kde sa vyžaduje presné meranie tlaku, ako napríklad v lekárskych prístrojoch a vedeckom výskume.
Po druhé, majú rýchlu odozvu. Dokážu takmer okamžite reagovať na zmeny tlaku, čo je rozhodujúce v aplikáciách, kde je potrebné dynamické monitorovanie tlaku, ako napríklad v automobilových motoroch a leteckých systémoch.
Po tretie, sú vysoko spoľahlivé. Piezoelektrické materiály sú veľmi stabilné a vydržia drsné podmienky prostredia, vrátane vysokých teplôt, vysokého tlaku a korozívnych látok. Vďaka tomu sú vhodné na použitie v širokej škále priemyselných aplikácií.
Aplikácie piezoelektrických snímačov tlaku
Vďaka svojim jedinečným vlastnostiam sa piezoelektrické snímače tlaku používajú v širokej škále aplikácií.
V automobilovom priemysle sa používajú pre systémy riadenia motora, systémy vstrekovania paliva a monitorovanie tlaku v pneumatikách. V systémoch riadenia motora merajú tlak v sacom potrubí a spaľovacej komore, čo pomáha optimalizovať výkon motora. V systémoch vstrekovania paliva zabezpečujú vstrekovanie správneho množstva paliva do valcov motora.
V leteckom priemysle sa piezoelektrické tlakové prevodníky používajú pre systémy riadenia letu, hydraulické systémy a systémy riadenia prostredia. Zohrávajú kľúčovú úlohu pri zaisťovaní bezpečnosti a výkonnosti lietadiel.
V lekárskej oblasti sa používajú v tlakomeroch, ventilátoroch a infúznych pumpách. Pomáhajú presne merať a kontrolovať tlak v týchto zariadeniach, čo je nevyhnutné pre starostlivosť o pacienta.
Ponúkame tiež rôzne vysokokvalitné tlakové senzory, ktoré spĺňajú rôzne potreby zákazníkov. Napríklad nášTO - 8 milivoltový výstupný tlakový snímačje kompaktný a spoľahlivý snímač vhodný pre širokú škálu aplikácií. nášMilivoltový výstupný snímač tlaku na doskeje navrhnutý pre jednoduchú integráciu do dosiek plošných spojov. A nášI2C digitálny výstupný snímač tlaku na doskuposkytuje digitálny výstup pre pohodlné spracovanie dát.
Záver
Na záver možno povedať, že pracovný princíp piezoelektrického tlakového meniča je založený na piezoelektrickom efekte, ktorý umožňuje meniču premieňať mechanický tlak na elektrický signál. Vďaka svojej vysokej citlivosti, rýchlej dobe odozvy a spoľahlivosti sú piezoelektrické snímače tlaku široko používané v rôznych priemyselných odvetviach.
Ak potrebujete vysokokvalitné prevodníky tlaku pre svoje aplikácie, sme tu, aby sme vám poskytli profesionálne riešenia. Máme tím skúsených inžinierov a technikov, ktorí vám môžu pomôcť vybrať najvhodnejšie produkty pre vaše špecifické požiadavky. Či už pôsobíte v automobilovom, leteckom, medicínskom alebo inom priemysle, môžeme vám poskytnúť tie správne prevodníky tlaku. Pre viac informácií a začatie procesu rokovaní o obstarávaní nás prosím kontaktujte.
Referencie
- "Piezoelektrické snímače" podľa snímačov a ovládačov A: Fyzikálne.
- "Úvod do piezoelektrických zariadení" od Springera.
- "Technológia merania tlaku" od Elsevier.
