圧電トランスデューサとは何ですか？回路図、動作、およびアプリケーション

日常生活では、機械的応力などの物理量を測定する必要があるさまざまな状況に遭遇します。金属、温度レベル、圧力レベルなどに適用されます…これらすべてのアプリケーションには、これらの未知の量を単位で測定できるデバイスと、使い慣れたキャリブレーションが必要です。私たちにとって最も有用なそのようなデバイスの1つは、 TRANSDUCER です。 。トランスデューサーは、電圧または電流のいずれかとして、比例した電気量の形であらゆるタイプの物理量を変換できる電気デバイスです。 。この記事は、さまざまなタイプのトランスデューサーの大規模なプールから、圧電トランスデューサーについて説明することを目的としています。 。

圧電トランスデューサとは何ですか？

圧電トランスデューサの定義 電気変換器です これは、あらゆる形式の物理量を電気信号に変換できます 、測定に使用できます。物理量を電気信号に変換するために圧電材料の特性を使用する電気トランスデューサは、圧電トランスデューサとして知られています。

圧電材料は圧電性の特性を示します 、それに応じて、任意のタイプの機械的応力またはひずみを加えると、加えられた応力に比例した電圧が生成されます。この生成された電圧は、電圧測定器を使用して測定できます。 材料に加えられた応力またはひずみの値を計算します。

圧電材料の種類

圧電材料の種類には次のものがあります：

自然に利用できるもの： クォーツ、ロシェルソルト、トパーズ、トルマリングループのミネラル、およびシルク、木材、エナメル質、骨、髪、ゴム、象牙質などのいくつかの有機物質。 圧電材料を人工的に製造しています ポリフッ化ビニリデン、PVDFまたはPVF2、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、およびその他の鉛フリー圧電セラミックです。

すべての圧電材料を圧電トランスデューサで使用できるわけではありません 。トランスデューサーとして使用される圧電材料が満たす必要のある特定の要件があります。測定目的で使用される材料は、周波数安定性、高出力値、極端な温度および湿度条件の影響を受けないもの、さまざまな形状で利用できるもの、または特性を損なうことなくさまざまな形状に製造できる柔軟性を備えている必要があります。

残念ながら、これらすべての特性を備えた圧電材料はありません。 クォーツ は非常に安定した水晶であり、自然に入手できますが、出力レベルは小さくなります。ゆっくりと変化するパラメータは、クォーツで測定できます。酒石酸カリウムナトリウムは最高の出力値を示しますが、環境条件に敏感であり、1150Fを超えて操作することはできません。

圧電トランスデューサの動作

圧電トランスデューサ 圧電性の原理で動作します。通常の石英である圧電材料の面は、銀などの導電性材料の薄層でコーティングされています。応力が加えられると、材料内のイオンは、一方の導電面に向かって移動し、もう一方の導電面から離れます。これにより、電荷が発生します。この電荷は、応力の校正に使用されます。生成された電荷の極性は、加えられた応力の方向に依存します。ストレスは、C 印象的なストレスとして2つの形式で適用できます。 および引張応力 以下に示すように。

圧電トランスデューサの公式

結晶の向きも、発生する電圧の量に影響します。トランスデューサー内の水晶は、縦方向の位置に配置できます。 または横位置 。

縦方向および横方向の効果

縦方向の効果では、生成される電荷​​は

によって与えられます。

Q =F * d

ここで、Fは加えられた力、dは結晶の圧電係数です。

水晶振動子の圧電係数dは約2.3 * 10 ^-12 C / N。

横方向の効果では、生成される電荷​​は

によって与えられます。

Q =F * d *（b / a）

比率b / aが1より大きい場合、横方向の配置によって生成される電荷​​は、縦方向の配置によって生成される量よりも大きくなります。

圧電トランスデューサ回路

基本的な圧電トランスデューサの動作は、次の図で説明できます。

ここでは、銀でコーティングされた水晶振動子がセンサーとして使用され、応力が加えられたときに電圧を生成します。チャージアンプは、発生した電荷を散逸させることなく測定するために使用されます。非常に低い電流を引き出すために、抵抗R1は非常に高くなります。トランスデューサーと圧電センサーを接続するリード線の静電容量 キャリブレーションにも影響します。そのため、チャージアンプは通常センサーの非常に近くに配置されます。

したがって、圧電トランスデューサでは、機械的応力が加えられると、比例した電圧が生成され、チャージアンプを使用して増幅され、加えられた応力の校正に使用されます。

圧電超音波トランスデューサー

超音波圧電トランスデューサは、逆の圧電効果の原理に基づいて動作します 。この効果では、圧電材料に電気が印加されると、印加された電荷に比例して物理的に変形します。 超音波トランスデューサーの回路 以下に示します。

ここでは、クォーツクリスタル 変圧器の一次L3に接続されている2枚の金属板AとBの間に配置されます。変圧器の一次側は、電子発振器に誘導結合されています。 。変圧器の二次側を形成するコイルL1とL2は、電子発振器に接続されています。

バッテリーがオンになると、発振器は周波数f =1÷（2π√L1C1）の高周波交流電圧パルスを生成します。これにより、起電力がL3に誘導され、プレートAとBを介して水晶振動子に伝達されます。逆の圧電効果により、水晶振動子は交互に収縮と膨張を開始し、機械的振動を発生させます。

共振は、電子発振器の周波数が発生したときに発生します。 クォーツの固有振動数に等しい。この時点で、クォーツは縦波を生成します 大振幅の。

圧電トランスデューサアプリケーション

• 圧電材料は静的な値を測定できないため、これらは主に表面粗さの測定、加速度計、および振動ピックアップとして使用されます。
• 地震計で使用されます ロケットの振動を測定します。
• 力、応力、振動などを測定するひずみゲージで…
• 自動車産業でエンジンの爆発を測定するために使用されます。
• これらは超音波イメージングで使用されます 医療用途で。

圧電トランスデューサの利点と制限

圧電トランスデューサの利点と制限は次のとおりです。

利点

• これらはアクティブなトランスデューサーです。つまり、動作するために外部電源を必要としないため、自己生成します。
• これらのトランスデューサの高周波応答は、さまざまなアプリケーションに適しています。

制限

• 温度および環境条件は、トランスデューサの動作に影響を与える可能性があります。
• 変化する圧力しか測定できないため、静的パラメータを測定する場合は役に立ちません。

したがって、これはすべて、圧電トランスデューサ、動作原理、式、動作する回路、利点、制限、およびアプリケーションに関するものです。上記の情報から、これまで説明してきたように、圧電トランスデューサのさまざまな用途があります。圧電トランスデューサをどのアプリケーションに使用しましたか？どうでしたか？