私たちの日常生活では、金属にかかる機械的応力、温度レベル、圧力レベル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。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が必要です。私たちに馴染みのあるキャリブレーション。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 トランスデューサー 。トランスデューサーは、電圧またはいずれかの比例電気量の形で任意のタイプの物理量を変換できる電気デバイスです。電流。さまざまなタイプのトランスデューサーの大きなプールから、この記事は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 。

圧電トランスデューサとは何ですか？

ザ・ 圧電トランスデューサの定義 は 電気変換器 の任意の形式を変換できます 電気信号への物理量 、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変換器は、 圧電トランスデューサ。

圧電トランスデューサ

圧電材料は、 圧電性 、それに応じて、任意のタイプの機械的応力またはひずみの適用により、適用された応力に比例する電圧が生成されます。この生成された電圧は、電圧を使用して測定できます 計測器 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。

自然に利用可能なもの： クォーツ、ロシェル塩、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、エナメル質、骨、髪、ゴム、象牙質などのいくつかの有機物質。人工的に製造 圧電材料 ポリビニリデンジフルオリド、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。

すべての圧電材料がで使用できるわけではありません 圧電トランスデューサ 。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ず、さまざまな形状で利用できるか、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。石英は自然に入手できる非常に安定した結晶ですが、出力レベルは小さいです。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。ロシェル塩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、材料内のイオンは導電性表面の一方に向かって移動し、他方から離れます。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として2つの形で加えることができます 印象的なストレス そして 引張応力 以下に示すように。

圧電トランスデューサの動作

圧電トランスデューサ式

結晶の配向は、生成される電圧の量にも影響します。トランスデューサー内の水晶は、 縦方向の位置 または 横位置 。

圧電トランスデューサ式

“DCから3相へのインバーター ”

縦方向および横方向の効果

縦断的効果では、生成される電荷は次の式で与えられます。

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。

水晶の圧電係数dは約2.3 * 10です。^-12C / N。

横方向の効果では、生成される電荷は次の式で与えられます。

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。

圧電トランスデューサ回路

ここでは、銀でコーティングされた水晶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。トランスデューサとを接続するリード線の静電容量 圧電センサー 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。