Digitrode
цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы
Arduino и пьезоэлектрический датчик
Пьезоэлектрический датчик используется для измерения изменений параметров, таких как давление, температура, ускорение и сила, путем преобразования их в электрический заряд. Этот датчик работает по принципу пьезоэлектрического эффекта.
Такой датчик может быть очень полезен в различных радиолюбительских и инженерных проектах, поэтому в данном материале мы рассмотрим, как подключить пьезоэлектрический датчик к Arduino и организовать их совместную работу.
Взаимодействие пьезоэлектрического датчика с платой Arduino довольно простое и не требует особых усилий для его организации. Прежде чем мы узнаем о процессе взаимодействия, необходимо понять, что такое пьезоэлектрический эффект. Итак, эффект, при котором механическая энергия с приложенным давлением преобразуется в электрическую форму, называется пьезоэлектрическим эффектом. При приложении давления к поляризованному кристаллу механическая деформация приводит к возникновению электрического заряда.
И наоборот, когда напряжение подается на пьезоэлектрический кристалл, тогда давление будет создаваться на атомах кристалла, что в свою очередь будет приводить к деформации.
Создадим с помощью пьезодатчика и Arduino простой проект, в котором датчик будет выдавать напряжение, когда он будет подвергаться любому физическому напряжению. Этот датчик может использоваться для создания схемы, которая реагирует на стук и включает или выключает нагрузку. Для этой схемы помимо пьезоэлектрического датчика мы подключим светодиод к микроконтроллеру Arduino. Когда датчик будет реагировать на физическое воздействие, плата Arduino будет включать светодиод на определенное время и затем выключать его. Пьезочувствительный датчик представляет собой поляризованный компонент с положительными и отрицательными выводами. Красный провод – положительный вывод, а черный провод – отрицательный вывод. Положительный вывод подключен к аналоговому выводу A0 платы Arduino, в то время как отрицательная клемма заземлена на клемме GND Arduino. Анод светодиода подключен к цифровому контакту 13, а его катоду к GND платы Arduino. Схема подключения Arduino и пьезоэлектрического датчика приведена ниже.
Далее приведен код (скетч), который позволяет считывать прикладываемое к пьезоэлектрическому датчику физическое воздействие и управлять нагрузкой, то есть в данном случае просто включать и отключать светодиод.
Источник
Digitrode
цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы
Что такое пьезоэлектрический датчик – как он работает, области применения
Что такое пьезодатчик и зачем он нужен
Пьезо – это греческий термин, обозначающий «пресс» или «сжатие». Пьезоэлектричество (также называемое пьезоэлектрическим эффектом) – это наличие электрического потенциала по бокам кристалла, когда механическое напряжение прикладывается путем его сжатия. В работающей системе кристалл действует как крошечная батарея с положительным зарядом на одной стороне и отрицательным зарядом на противоположной стороне. Чтобы сформировать целостную цепь, две грани соединены вместе, и через эту цепь проходит ток.
В качестве примера пьезоэффекта можно вспомнить зажигалки. В них генерируется электрический импульс из-за силы, возникающей при внезапном воздействии спускового механизма на материал внутри.
Эффект пьезоэлектричества обратимый. Всякий раз, когда электрическое поле прикладывается к клеммам кристалла, пьезодатчик испытывает механическое напряжение, что приводит к изменению формы. Это известно как обратный пьезоэлектрический эффект.
Такой эффект можно наблюдать в кварцевых часах. В повседневной работе наручные часы используют кварцевый резонатор, который работает как генератор. Используемый элемент – диоксид кремния. Когда на кристалл подается электрический сигнал, кристалл вибрирует, что помогает периодически регулировать механизм внутри часов. Также хорошим примером являются пьезо-зуммеры. В данном случае определенное количество напряжения со значением величины и частоты прикладывается к кристаллу, что заставляет кристалл вибрировать. Вибрация превращается в звук.
Когда датчик работает по принципу пьезоэлектричества, он называется пьезоэлектрическим датчиком. Пьезоэлектричество – это явление, при котором электричество генерируется, если к материалу прикладывается механическое напряжение. Датчик, который использует пьезоэлектрический эффект для измерения изменений ускорения, деформации, давления и силы путем преобразования их в электрический заряд, называется пьезоэлектрическим датчиком. Это произведенное пьезоэлектричество пропорционально напряжению, приложенному к подложкам из прочного пьезоэлектрического кристалла.
Когда к пьезоматериалу применяется давление или ускорение, на гранях кристалла генерируется эквивалентное количество электрического заряда. Электрический заряд будет пропорционален приложенному давлению. Пьезоэлектрический датчик нельзя использовать для измерения статического давления. При постоянном давлении выходной сигнал будет нулевым. Работу пьезоэлектрического датчика можно обобщить следующим образом.
- В пьезоэлектрическом кристалле заряды точно сбалансированы и находятся в несимметричном расположении.
- Эффект зарядов компенсируется друг с другом, и, следовательно, на поверхностях кристаллов не будет обнаружено никакого чистого заряда.
- Когда кристалл сжимается, заряд в кристалле становится неуравновешенным.
- Следовательно, отныне влияние заряда не взаимно компенсируется, что приводит к появлению чистого положительного и отрицательного заряда на противоположных гранях кристалла.
- Поэтому, сжимая кристалл, напряжение создается на противоположной стороне, и это известно как пьезоэлектричество.
Схема пьезоэлектрического датчика показана далее. Она состоит из внутреннего сопротивления Ri, которое также известно как сопротивление изолятора. Дроссель генерирует индуктивность из-за инерции датчика. Значение емкости Се обратно пропорционально упругости материала датчика. Для получения полного отклика датчика сопротивление нагрузки и утечки должно быть достаточно большим, чтобы поддерживать низкую частоту.
Пьезоэлектрические датчики используются для измерения динамического давления. Измерение динамического давления предусматривается в таких областях, как измерение турбулентности, сгорания в двигателя и т. д. Изменения давления жидкостей и газов при измерениях давления в цилиндрах гидравлического процесса можно измерять с помощью пьезорезистивных датчиков давления.
Когда сила прикладывается к пьезоэлектрической диафрагме, она генерирует электрический заряд на гранях кристалла. Выход измеряется как напряжение, которое пропорционально приложенному давлению.
Эффект применяется и в ультразвуковых датчиках. Ультразвуковые датчики генерируют ультразвуковые волны. Это свойство применяется, например, в медицине. Звуковые волны передаются через ткани тела. Волны отражаются назад, чтобы создать образ ткани. Это принцип работы ультразвуковой системы визуализации. При этом пьезоэлектрические кристаллы прикрепляются к передней части преобразователя, что помогает генерировать ультразвуковые волны. Электроды действуют как связующий узел между кристаллами и машиной. Когда электрический сигнал подается на кристалл, он из-за вибрации генерирует ультразвуковую волну с частотами от 1,5 до 8 МГц.
Помимо этого пьезоэлектрический датчик используется в датчиках детонации двигателя, датчиках давления, в дизельных топливных инжекторах, оптической настройке, ультразвуковой очистке и сварке, в музыкальных инструментах и приборах, таких как звукосниматели и микрофоны и т.п.
Источник
Что такое пьезоэлектрический датчик
Пьезоэлектрический датчик (ПД) — это устройство, используемое для обнаружения или измерения различных типов физических величин в окружающей среде. Входным сигналом может быть свет, тепло, движение, влажность, давление и вибрация.
Генерируемый выходной электрический сигнал, образуется пропорционально приложенному входному сигналу. Он передается по сети для дальнейшей обработки. В зависимости от измеряемого входного сигнала существуют различные типы датчиков.
Определение пьезоэлектрического датчика
Этот датчик работает по принципу пьезоэлектричества, когда при механическом давлении на материал, генерируется электрическая энергия. Не все материалы обладают пьезоэлектрическими характеристиками. Существуют несколько типов пьезоэлектрических материалов применяемых в ПД — это, в основном, природный монокристалл кварца и искусственно изготовленная пьезокерамика.
Кварц является доступным в природе минералом, поэтому такие пьезоэлектрические преобразователи, как правило, имеют невысокую стоимость. Турмалин — полудрагоценная форма кварца, обладает субмикросекундной чувствительностью и полезен при измерении очень быстрых переходных процессов. Может обеспечить как хорошую линейность, так и пониженную температурную чувствительность. Такие устройства применяются при высокоточных измерениях и имеют высокую стоимость.
Пьезоэлектрическим датчиком измеряются физические величины: ускорение и давление. Датчик давления, или пьезометрический датчик, и ускорения работают по одному и тому же принципу пьезоэлектричества. Различие между ними заключается в варианте воздействия на чувствительный элемент.
Принцип работы
Пьезоэлектрический кристалл помещается между двумя металлическими пластинами, которые находятся в идеальном равновесии, даже если они не расположены симметрично. Пластины прикладывают к материалу механическое напряжение или силу, в результате чего электрические заряды кристалла выходят из равновесия.
На его противоположных гранях создается избыточный положительный и отрицательный заряд. Металлическая пластина аккумулирует эти заряды, создавая напряжение и ток, тем самым преобразуется механическая энергия в пьезоэлектричество.
Важно! При приложении давления к мембране, пьезоэлектрический материал нагружается и начинает генерировать электрический ток с напряжением, пропорциональным входному давлению. Такие устройства также известны, как первичные преобразователи.
Технические характеристики пьезокерамического датчика
При определении пьезоэффекта важно понимать поведение кристаллов. Они могут работать от продольных или поперечных сил, и нечувствительны к электрическим полям и электромагнитному излучению. Они создают линейный отклик в очень широком диапазоне температур, что делает их идеальными измерительными устройствами для работы в суровых климатических условиях.
Основные характеристики пьезоэлектрических датчиков:
- Широкий диапазон измерения, могут определять давление от 0.7 кПа до 70 МПа.
- Чувствительность (S): характеризует изменения выходного сигнала ∆y к сигналу, вызвавшему изменение ∆x: S = ∆y/∆x.
- Надежность — способность ПД сохранять характеристики в определенных пределах в заданных условиях эксплуатации.
- Значение импеданса ≤500 Ом.
- Диапазон температур от −20 °C до + 60 °C.
- ПД имеют очень низкую температуру пайки.
Важно! Из-за своей высокой гибкости кварц является наиболее предпочтительным материалом в качестве ПД. Помимо этого, некоторые характеристики пьезоэлектрических первичных измерителей включают порог срабатывания, ошибки, время индикации.
Пьезокерамический датчик обладает рядом преимуществ, таких как:
- Высокой частотной характеристикой, что обеспечивает обнаружение даже слабых сигналов и в короткие промежутки времени.
- Высокая переходная характеристика — они могут обнаруживать события в микросекундах, а также выдавать линейный выходной сигнал.
- Высокая мощность, измеряемая электронной схемой.
- Небольшие размеры и прочная конструкция.
К недостаткам таких ПД относится их повышенная чувствительность к колебаниям температуры, что требует применения специальных кабелей и систем усиления.
Поскольку применения таких ПД в промышленности требует от них точности измерения, систему усиления сигнала моделируют под каждый измеряемый параметр. Например, если технологическое давление изменяется в широком диапазоне, предпочтительным выбором являются датчики давления с хорошей линейностью и низким гистерезисом.
Колебания окружающей температуры и температуры процесса вызывают ошибки в измерениях давления, особенно в среде с низким показателем или небольшим его перепадом. В таких случаях используют термокомпенсаторы.
Применение пьезоэлектрических датчиков
Пьезоэлектрический датчик может быть активным и пассивным. Первые используются для измерения давления, ускорения, температуры, уровня жидкости и могут выступать в качестве первичных датчиков для расходомеров и толщиномеров. Пассивные используются в микрофонах, акселерометрах и в музыкальных инструментах.
Пьезоэлектрические датчики также используются для ультразвуковой визуализации, оптических и микро движущихся измерений, электроакустики. Их применяют в различных секторах экономики, таких как здравоохранение, энергетика, газоснабжение, аэрокосмическая промышленность, бытовая электроника и ядерное приборостроение.
Поскольку пьезоэлектрические преобразователи не способны измерять статическое давление, они широко используются для оценки явлений динамического характера, связанных со взрывами, пульсациями или условиями динамически изменяемой среды в автомобильных и ракетных двигателях, компрессорах и других устройствах, работающих под давлением.
Видео по теме
Источник