Cảm biến áp điện: Mạch, Thông số kỹ thuật và Ứng dụng

Cảm biến là các thiết bị được sử dụng để phát hiện hoặc cảm nhận các dạng đại lượng vật lý khác nhau từ môi trường. Đầu vào có thể là ánh sáng, nhiệt, chuyển động, độ ẩm, áp suất, rung động, v.v. Đầu ra được tạo ra thường là tín hiệu điện tỷ lệ với đầu vào được áp dụng. Đầu ra này được sử dụng để hiệu chỉnh đầu vào hoặc tín hiệu đầu ra được truyền qua mạng để xử lý thêm. Dựa trên đầu vào cần đo, có nhiều loại cảm biến khác nhau. Dựa trên thủy ngân nhiệt kế hoạt động như một cảm biến nhiệt độ , một cảm biến Oxy trong hệ thống kiểm soát khí thải ô tô phát hiện oxy, Cảm biến ảnh phát hiện sự hiện diện của ánh sáng nhìn thấy. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ mô tả cảm biến áp điện . Vui lòng tham khảo liên kết để biết thêm về hiệu ứng áp điện .

Định nghĩa cảm biến áp điện

Một cảm biến hoạt động trên nguyên tắc áp điện được biết đến như một cảm biến áp điện. Trường hợp áp điện là hiện tượng mà điện được tạo ra nếu ứng suất cơ học được áp dụng cho vật liệu. Không phải tất cả các vật liệu đều có đặc tính áp điện.

Cảm biến áp điện

Có nhiều loại vật liệu áp điện khác nhau. Ví dụ về vật liệu áp điện là thạch anh đơn tinh thể có sẵn tự nhiên, xương, v.v ... Được sản xuất nhân tạo như gốm PZT, v.v.

Hoạt động của cảm biến áp điện

Các đại lượng vật lý thường được đo bằng cảm biến áp điện là Gia tốc và Áp suất. Cả hai cảm biến áp suất và cảm biến gia tốc đều hoạt động trên cùng một nguyên tắc áp điện nhưng sự khác biệt chính giữa chúng là cách tác dụng lực lên phần tử cảm biến của chúng.

Trong cảm biến áp suất, một màng mỏng được đặt trên một đế lớn để truyền lực tác dụng lên phần tử áp điện . Khi tác dụng áp lực lên màng mỏng này, vật liệu áp điện được tải và bắt đầu tạo ra điện áp. Hiệu điện thế được tạo ra tỷ lệ với lượng áp suất đặt vào.

Trong máy đo gia tốc , khối lượng địa chấn được gắn vào phần tử tinh thể để truyền lực tác dụng lên vật liệu áp điện. Khi có chuyển động, tải trọng địa chấn là vật liệu áp điện theo Định luật thứ hai của Newton của chuyển động. Vật liệu áp điện tạo ra điện tích dùng để hiệu chỉnh chuyển động.

Phần tử bù gia tốc được sử dụng cùng với cảm biến áp suất vì các cảm biến này có thể nhận các rung động không mong muốn và hiển thị sai số đọc.

Mạch cảm biến áp điện

Một mạch bên trong cảm biến áp điện được cho ở trên. Điện trở Ri là điện trở bên trong hoặc điện trở cách điện. Hiện tượng tự cảm là do quán tính của cảm biến . Điện dung Ce tỷ lệ nghịch với độ đàn hồi của vật liệu cảm biến. Để có phản ứng thích hợp của cảm biến, tải và điện trở rò rỉ phải đủ lớn để các tần số thấp được bảo toàn. Một cảm biến có thể được gọi là áp suất đầu dò trong một tín hiệu điện. Bộ cảm biến còn được gọi là bộ chuyển đổi sơ cấp.

Cảm biến áp điện

Thông số kỹ thuật cảm biến áp điện

Một số đặc điểm cơ bản của cảm biến áp điện là

• • Phạm vi đo lường: Phạm vi này phải tuân theo các giới hạn đo lường.

• • Độ nhạy S: Tỷ lệ thay đổi của tín hiệu đầu ra ∆y với tín hiệu gây ra sự thay đổi ∆x.
    S = ∆y / ∆x.
  • Độ tin cậy: Điều này giải thích cho khả năng của cảm biến để giữ các đặc tính trong các giới hạn nhất định trong các điều kiện hoạt động đã đặt.

Bên cạnh đó, một số thông số kỹ thuật của cảm biến áp điện là ngưỡng phản ứng, sai số, thời gian chỉ báo, v.v.

• Các cảm biến này chứa giá trị Trở kháng ≤500Ω.
• Các cảm biến này thường hoạt động trong phạm vi nhiệt độ khoảng -20 ° C đến + 60 ° C.
• Các cảm biến này phải được giữ ở nhiệt độ từ -30 ° C đến + 70 ° C để ngăn chúng bị suy giảm chất lượng.
• Các cảm biến này rất thấp Hàn nhiệt độ.
• Độ nhạy căng của cảm biến áp điện là 5V / µƐ.
• Do tính linh hoạt cao, Thạch anh là vật liệu được ưa chuộng nhất làm cảm biến áp điện.

Cảm biến áp điện sử dụng Arduino

Như chúng ta phải biết cảm biến áp điện là gì, hãy xem một ứng dụng đơn giản của cảm biến này bằng Arduino. Ở đây chúng tôi đang cố gắng bật tắt đèn LED khi cảm biến áp suất phát hiện đủ lực.

Yêu cầu phần cứng

• Bảng Arduino .
• Cảm biến áp suất áp điện.
• Đèn LED
• Điện trở 1 MΩ.

Sơ đồ mạch:

• Ở đây, dây dẫn dương của cảm biến được chỉ định bằng dây màu đỏ được kết nối với chân tương tự A0 của bảng Arduino trong khi dây dẫn âm được chỉ báo bằng dây màu đen được kết nối với đất.
• Một điện trở 1 MΩ được nối song song với phần tử áp điện để hạn chế điện áp và dòng điện do phần tử áp điện tạo ra và để bảo vệ đầu vào tương tự khỏi các dao động không mong muốn.
• Cực dương của đèn LED được kết nối với chân kỹ thuật số D13 của Arduino và cực âm được nối với đất.

Sơ đồ mạch

Đang làm việc

Giá trị ngưỡng 100 được đặt cho mạch để cảm biến không được kích hoạt đối với các rung động nhỏ hơn ngưỡng. Bằng cách này, chúng ta có thể loại bỏ những rung động nhỏ không mong muốn. Khi điện áp đầu ra do phần tử cảm biến tạo ra lớn hơn giá trị ngưỡng, đèn LED sẽ thay đổi trạng thái của nó, tức là nếu nó ở trạng thái CAO, nó sẽ chuyển sang THẤP. Nếu giá trị thấp hơn ngưỡng, đèn LED không thay đổi trạng thái và vẫn ở trạng thái trước đó.

Mã

hăng sô int ledPin = 13 // LED kết nối với chân số 13
hăng sô int Cảm biến = A0 // Cảm biến kết nối với chân analog A0
hăng sô int ngưỡng = 100 // Ngưỡng được đặt thành 100
int sensorReading = 0 // biến để lưu trữ giá trị đọc từ chân cảm biến
int ledState = THẤP // biến được sử dụng để lưu trữ trạng thái LED cuối cùng, để chuyển đổi đèn

void setup ()
{
pinMode (ledPin, OUTPUT) // khai báo ledPin là OUTPUT
}

void loop ()
{
// đọc cảm biến và lưu trữ nó trong biến cảm biến
sensorReading = analogRead (Cảm biến)

// nếu số đọc cảm biến lớn hơn ngưỡng:
if (sensorReading> = ngưỡng)
{
// chuyển đổi trạng thái của ledPin:
ledState =! ledState
// cập nhật chân LED:
digitalWrite (ledPin, ledState)
delay (10000) // delay
}
khác
{
digitalWrite (ledPin, ledState) // trạng thái ban đầu của LED, tức là THẤP.
}
}

Ứng dụng cảm biến áp điện

• • Cảm biến áp điện được sử dụng cho phát hiện sốc .

• • Cảm biến áp điện hoạt động được sử dụng cho máy đo độ dày, cảm biến lưu lượng.

• • Cảm biến áp điện thụ động được sử dụng cho micrô, máy đo gia tốc, máy thu nhạc, v.v.

• • Cảm biến áp điện cũng được sử dụng để chụp ảnh siêu âm.
  • Các cảm biến này được sử dụng để đo quang học, đo chuyển động vi mô, điện âm, v.v.

Vì vậy, đây là tất cả về những gì là một cảm biến áp điện , thuộc tính, thông số kỹ thuật và cả giao diện đơn giản của cảm biến bằng bảng Arduino. Những cảm biến đơn giản để sử dụng này tìm thấy vị trí trong các ứng dụng khác nhau. Bạn đã sử dụng những cảm biến này như thế nào trong dự án của mình? Thách thức lớn nhất mà bạn gặp phải khi sử dụng các cảm biến này là gì?