مقدمة لوظيفة محول الطاقة السيراميكي الكهرضغطي

محولات الطاقة الكهرضغطية هي أجهزة استشعار بالموجات فوق الصوتية مصنوعة باستخدام التأثير الكهرضغطي الناتج عن بعض العوازل الكهربائية. يشير ما يسمى بالتأثير الكهرضغطي إلى ظاهرة أنه عندما تتعرض بعض العوازل الكهربائية للتشوه (بما في ذلك تشوه الانحناء والتمدد) بسبب استقطاب الشحنات الداخلية، فإنها ستولد شحنات على سطحها عندما تتشوه بواسطة قوى خارجية في اتجاه معين. يمكن تقسيم المواد الكهرضغطية إلى مواد كهرضغطية مفردة كريستالية، ومواد كهرضغطية متعددة البلورات، ومواد كهرضغطية عضوية. محولات الطاقة الكهرضغطية الأكثر استخدامًا هي أنواع مختلفة أنبوب سيراميك كهرضغطية ينتمي إلى بلورات متعددة كهرضغطية وبلورات كوارتز في بلورات مفردة كهرضغطية. تشتمل البلورات المفردة الكهرضغطية الأخرى على نيوبات الليثيوم وتنتالات الليثيوم وجالات الليثيوم وجرمانات البزموت المناسبة لبيئات الإشعاع ذات درجة الحرارة العالية.

مقدمة لخصائص أجهزة الاستشعار السيراميكية الكهرضغطية

يشتمل السيراميك الكهرضغطي على سيراميك تيتانات الباريوم الذي ينتمي إلى النظام الثنائي، وسيراميك سلسلة تيتانات زركون الرصاص، وسيراميك سلسلة نيوبات، وسيراميك نيوبات المغنيسيوم الرصاص الذي ينتمي إلى النظام الثلاثي. مزايا تتميز نصف الكرة الكهرضغطية المخصصة بإطلاق مريح وسهل التشكيل ومقاومة للرطوبة ومقاومة درجات الحرارة العالية. العيب هو أنه يحتوي على كهرباء حرارية، والتي سوف تتداخل مع قياس الكميات الميكانيكية. تشتمل المواد الكهرضغطية على أكثر من عشرة أنواع من مواد البوليمر مثل فلوريد البولي فينيلدين، فلوريد البولي فينيل، والنايلون. يمكن إنتاج المواد الكهرضغطية بكميات كبيرة وتصنيعها في مناطق أكبر. إنها تتمتع بمزايا فريدة في مطابقة المقاومة الصوتية للهواء وهي نوع جديد من المواد الكهربائية الصوتية ذات إمكانات التطوير الكبيرة. منذ ستينيات القرن العشرين، تم اكتشاف بلورات ذات خصائص شبه موصلة وخصائص كهرضغطية، مثل كبريتيد الزنك وأكسيد الزنك وكبريتيد الكالسيوم. يمكن تحويل استخدام مادة PZT إلى نوع جديد من أجهزة الاستشعار الكهرضغطية التي تدمج المكونات الحساسة والدوائر الإلكترونية، وهو أمر واعد للغاية.

تطبيق المستشعر الكهرضغطي: يتميز مستشعر السيراميك الكهرضغطي بهيكل بسيط، وحجم صغير، وكتلة صغيرة، واستهلاك منخفض للطاقة، وعمر طويل، خاصة أنه يتميز بخصائص ديناميكية جيدة، لذلك فهو مناسب لمجموعة واسعة من القوة الدورية والتغيير عالي السرعة لقوة التأثير.

القياس الديناميكي لمستشعر السيراميك الكهرضغطي

لا يمكن استخدام أجهزة الاستشعار الكهرضغطية إلا للقياس الديناميكي

نظرًا لأن الشحنة الناتجة عن القوة الخارجية المؤثرة على العنصر الكهرضغطي لا يمكن تخزينها إلا دون تسرب، أي أن القياس يحتاج إلى مقاومة إدخال لا نهائية، وهو أمر مستحيل عمليًا، لذلك لا يمكن استخدام المستشعر الكهرضغطي للقياس الثابت.

تحت تأثير القوة المتناوبة، يمكن للعنصر الكهرضغطي أن يقوي الشحنة بشكل مستمر ويمكنه توفير تيار معين لدائرة القياس، لذلك فهو مناسب فقط للقياس الديناميكي (بشكل عام يجب أن يكون أعلى من 100 هرتز، ولكن فوق 50 كيلو هرتز، تنخفض الحساسية).

قياس مستشعر السيراميك الكهرضغطي:

(1) قياس القوة تستخدم أجهزة الاستشعار الكهرضغطية بشكل رئيسي التأثيرات الكهرضغطية الطولية والقصية بلورات الكوارتز القرصية الخزفية الانضغاطية ، لأن بلورات الكوارتز لها صلابة كبيرة، وتباطؤ منخفض، وحساسية عالية، وخطية جيدة، وتردد تشغيل واسع، وكهرباء حرارية منخفضة. بالإضافة إلى قياس القوة أحادية الاتجاه، يمكن لمستشعر القوة أيضًا استخدام بلورات متعددة ذات اتجاهات قطع مختلفة لقياس القوة متعددة الاتجاهات اعتمادًا على تأثيراتها الكهرضغطية المختلفة، مثل القوة المكونة ثلاثية الاتجاهات للقوة المكانية Fx وFy وFz

(2) قياس الضغط: تستخدم مستشعرات الضغط الكهرضغطية بشكل أساسي العناصر المرنة (الحجاب الحاجز والمكبس وما إلى ذلك) لتجميع الضغط وتصبح قوة تعمل على البلورة، لأن خصائص مادة PZT المستخدمة في العنصر المرن لها تأثير كبير على خصائص المستشعر.

(3) قياس التسارع: يستخدم مستشعر التسارع الكهرضغطي الكتلة ليتم ضغطها على البلورة عن طريق قوة التحميل المسبق. عندما يعمل تسارع القياس، ستتعرض البلورة الانضغاطية لقوة قصورية، مما ينتج عنه تأثير كهرضغطية. لذلك فإن جودة الكتلة تحدد حساسية المستشعر وتؤثر أيضًا على استجابة المستشعر عالية التردد.