ما هو محول الطاقة الكهرضغطية؟ مخطط الدائرة والعمل والتطبيقات

جرب أداة القضاء على المشاكل





في حياتنا اليومية ، نواجه مواقف مختلفة حيث يتعين علينا قياس الكميات الفيزيائية مثل الضغط الميكانيكي المطبق على المعدن ومستويات درجة الحرارة ومستويات الضغط وما إلى ذلك ... بالنسبة لجميع هذه التطبيقات ، نحتاج إلى جهاز يمكنه قياس هذه الكميات غير المعروفة بالوحدات و معايرة مألوفة لدينا. أحد هذه الأجهزة الأكثر فائدة لنا هو ناقل . محول الطاقة هو جهاز كهربائي يمكنه تحويل أي نوع من الكمية المادية في شكل كمية كهربائية متناسبة إما كجهد أو التيار الكهربائي . من بين مجموعة كبيرة من أنواع مختلفة من محول الطاقة ، تهدف هذه المقالة إلى شرح محولات كهرضغطية .

ما هو محول الطاقة الكهرضغطية؟

ال تعريف محول الطاقة الكهرضغطية هو محول كهربائي والتي يمكنها تحويل أي شكل من أشكال الكمية المادية في إشارة كهربائية ، والتي يمكن استخدامها للقياس. يُعرف محول الطاقة الكهربائي الذي يستخدم خصائص المواد الكهرضغطية لتحويل الكميات الفيزيائية إلى إشارات كهربائية باسم محول كهرضغطية.




محول كهرضغطية

محول كهرضغطية

تعرض المواد الكهرضغطية خاصية الكهربائية الضغطية ، والتي بموجبها يؤدي تطبيق أي نوع من الإجهاد أو الإجهاد الميكانيكي إلى توليد جهد كهربائي يتناسب مع الإجهاد المطبق. يمكن قياس هذا الجهد الكهربائي الناتج باستخدام الجهد أدوات القياس لحساب قيمة الضغط أو الانفعال المطبق على المادة.



أنواع المواد الكهرضغطية

بعض أنواع المواد الكهرضغطية هي:

العناصر المتوفرة بشكل طبيعي: الكوارتز ، ملح روشيل ، التوباز ، معادن مجموعة التورمالين ، وبعض المواد العضوية مثل الحرير ، والخشب ، والمينا ، والعظام ، والشعر ، والمطاط ، وعاج الأسنان. المصنوعات بشكل مصطنع مواد كهرضغطية هي بوليفينيلدين ديفلورايد ، PVDF أو PVF2 ، تيتانات الباريوم ، تيتانات الرصاص ، تيتانات الرصاص الزركوني (PZT) ، نيوبات البوتاسيوم ، نيوبات الليثيوم ، تانتالات الليثيوم ، وغيرها من السيراميك الكهروضغطي الخالي من الرصاص.

لا يمكن استخدام كل المواد الكهرضغطية في محولات كهرضغطية . هناك متطلبات معينة يجب أن تلبيها المواد الكهرضغطية لاستخدامها كمحولات طاقة. يجب أن تتمتع المواد المستخدمة لغرض القياس باستقرار تردد وقيم خرج عالية وغير حساسة لظروف درجات الحرارة والرطوبة الشديدة والتي يمكن أن تكون متاحة بأشكال مختلفة أو يجب أن تكون مرنة لتصنيعها بأشكال مختلفة دون الإخلال بخصائصها.


لسوء الحظ ، لا توجد مادة كهرضغطية لها كل هذه الخصائص. كوارتز عبارة عن بلورة عالية الاستقرار ومتوفرة بشكل طبيعي ولكن لها مستويات إنتاج صغيرة. يمكن قياس المعلمات المتغيرة ببطء باستخدام الكوارتز. يعطي ملح روشيل أعلى قيم إنتاج ولكنه حساس للظروف البيئية ولا يمكن تشغيله فوق 1150 فهرنهايت.

يعمل محول الطاقة الكهرضغطية

محول كهرضغطية يعمل مع مبدأ الكهرباء الانضغاطية. وجوه المواد الكهرضغطية ، الكوارتز المعتاد ، مغطاة بطبقة رقيقة من مادة موصلة مثل الفضة. عندما يتم تطبيق الضغط ، تتحرك الأيونات في المادة باتجاه أحد السطح الموصّل بينما تبتعد عن الأخرى. ينتج عن هذا توليد الشحن. تستخدم هذه الشحنة لمعايرة الإجهاد. تعتمد قطبية الشحنة الناتجة على اتجاه الضغط المطبق. يمكن تطبيق الإجهاد في شكلين مثل C ضغوط شديدة و إجهاد الشد كما هو مبين أدناه.

عمل محول كهرضغطية

عمل محول كهرضغطية

صيغة محول كهرضغطية

يؤثر اتجاه البلورة أيضًا على مقدار الجهد المتولد. يمكن ترتيب الكريستال في محول الطاقة موقف طولي أو موقف عرضي .

صيغة محول كهرضغطية

صيغة محول كهرضغطية

التأثير الطولي والعرضي

في التأثير الطولي ، يتم إعطاء الشحنة المتولدة بواسطة

س = و * د

عندما تكون F هي القوة المطبقة ، d هي المعامل الكهرضغطية للبلورة.

المعامل الكهروإجهادي د لبلور الكوارتز حوالي 2.3 * 10-12ج / ن.

في التأثير العرضي ، يتم إعطاء الشحنة المتولدة بواسطة

س = F * د * (ب / أ)

عندما تكون النسبة b / a أكبر من 1 ، فإن الشحنة الناتجة عن الترتيب العرضي ستكون أكبر من الكمية الناتجة عن الترتيب الطولي.

دائرة محول كهرضغطية

يمكن تفسير عمل محول طاقة كهرضغطية أساسي من خلال الشكل أدناه.

دائرة محول كهرضغطية

دائرة محول كهرضغطية

هنا يتم استخدام بلورة الكوارتز المطلية بالفضة كمستشعر لتوليد جهد عند الضغط عليه. يستخدم مضخم الشحن لقياس الشحنة المنتجة دون تبديد. لرسم تيار منخفض للغاية ، تكون المقاومة R1 عالية جدًا. سعة سلك الرصاص الذي يربط محول الطاقة و مستشعر كهرضغطية يؤثر أيضًا على المعايرة. لذلك يتم وضع مضخم الشحن عادة بالقرب من المستشعر.

لذلك في محول الطاقة الكهرضغطية عند تطبيق الضغط الميكانيكي يتم إنشاء جهد كهربائي متناسب يتم تضخيمه باستخدام مضخم الشحن واستخدامه لمعايرة الإجهاد المطبق.

محول بالموجات فوق الصوتية كهرضغطية

يعمل محول الطاقة الكهرضغطية بالموجات فوق الصوتية على مبدأ العكس تأثير كهرضغطية . في هذا التأثير عندما يتم تطبيق الكهرباء على مادة كهرضغطية ، فإنها تخضع لتشوهات فيزيائية تتناسب مع الشحنة المطبقة. حلبة محول بالموجات فوق الصوتية يرد أدناه.

محول كهرضغطية بالموجات فوق الصوتية

محول كهرضغطية بالموجات فوق الصوتية

هنا ، كريستال الكوارتز بين لوحين معدنيين A و B متصلتين بـ L3 الأساسي للمحول. الأساسي للمحول مقترن حثيًا بـ مذبذب إلكتروني . يتم توصيل الملفين L1 و L2 ، اللذين يشكلان ثانويًا للمحول ، بالمذبذب الإلكتروني.

عند تشغيل البطارية ، ينتج المذبذب نبضات جهد متناوبة عالية التردد بتردد f = 1 ÷ (2π√L1C1). نتيجة لهذا ، يتم إحداث قوة emf في L3 والتي يتم نقلها إلى بلورة الكوارتز من خلال الألواح A و B. نظرًا للتأثير الكهروضغطي العكسي ، تبدأ البلورة في الانكماش والتوسع بدلاً من ذلك ، مما ينتج عنه اهتزازات ميكانيكية.

الرنين يحدث عندما تردد مذبذب إلكتروني يساوي التردد الطبيعي للكوارتز. في هذه المرحلة ، ينتج الكوارتز الموجات فوق الصوتية الطولية من السعة الكبيرة.

تطبيقات المحولات الكهرضغطية

  • نظرًا لأن المواد الكهرضغطية لا يمكنها قياس القيم الثابتة ، فهي تُستخدم في المقام الأول لقياس خشونة السطح ، وفي مقاييس التسارع وكجهاز التقاط الاهتزاز.
  • يتم استخدامها في أجهزة قياس الزلازل لقياس الاهتزازات في الصواريخ.
  • في مقاييس الإجهاد لقياس القوة والإجهاد والاهتزازات ، إلخ ...
  • تستخدم من قبل صناعات السيارات لقياس التفجيرات في المحركات.
  • هذه تستخدم في التصوير بالموجات فوق الصوتية في التطبيقات الطبية.

مزايا وقيود محولات الطاقة الكهرضغطية

تشمل مزايا وقيود محولات الطاقة الكهرضغطية ما يلي.

مزايا

  • هذه عبارة عن محولات طاقة نشطة ، أي أنها لا تتطلب طاقة خارجية للعمل وبالتالي فهي ذاتية التوليد.
  • تجعل الاستجابة عالية التردد لهذه المحولات خيارًا جيدًا للتطبيقات المختلفة.

محددات

  • يمكن أن تؤثر درجة الحرارة والظروف البيئية على سلوك محول الطاقة.
  • يمكنهم فقط قياس الضغط المتغير ومن ثم فهي عديمة الفائدة أثناء قياس المعلمات الثابتة.

وبالتالي ، هذا كل شيء عن محول كهرضغطية ، مبدأ العمل ، الصيغة ، الدائرة مع العمل ، المزايا ، القيود ، وكذلك التطبيقات. من المعلومات الواردة أعلاه ، هناك العديد من التطبيقات لمحول الطاقة الكهرضغطية كما ناقشنا. ما هو التطبيق الذي استخدمت فيه محول الطاقة الكهرضغطية؟ كيف كانت تجربتك؟