Piezoelektrik Sensörler ve Modellenmesi

Piezoelektrik etki, bazı malzemelere uygulanan mekanik basınç sonucunda kristal yapılarındaki fiziksel deformasyon ile elektrik yükü geliştirerek mekanik dünya ile elektrik dünyası arasında bir köprü görevi görür. Bu yazımızda, piezoelektrik özellik kullanılarak geliştirilmiş sensörlerin arkasındaki bazı teorileri, piezoelektrik sensör sistemleri tasarlarken kullanabileceğiniz eşdeğer devreleri ele aldık.

A- A+

19.11.2018 tarihli yazı 20665 kez okunmuştur.

Araştırmacılar, özelliklerinden yararlanmak amacıyla piezoelektrik fenomenini teknoloji dünyasına dahil etmenin çeşitli yollarını keşfetti. Araştırmalar sonucunda, piezoelektrik cihazların elektriksel davranışlar ile mekanik strese karşı öngörülebilir bir şekilde yanıt verdiği gözlenildi. Aşağıdaki modellenmelerde de piezoelektrik fenomeninin elektronik sensör cihazları üzerindeki etkisini incelendi. Bir piezoelektrik cihazın bir kondansatörle paralel bir akım kaynağı veya bir kondansatör ve bir dirençle paralel bir akım kaynağı ile nasıl temsil edilebilir olduğunu gözlemlendi.

Yüksek hassasiyetli zamanlama sinyallerinin üretilmesindeki rolünden dolayı piezoelektrik etki oluşur. Bu olayın gerçekleştiği anda, sayısız elektronik cihaz; bir kuvars kristali etrafında inşa edilen osilatör devreleri tarafından zamanlanır. Bununla birlikte, kuvars, piezoelektrik davranış sergileyen birçok malzemeden sadece biridir. Piezoelektrik bileşenlerin işlevselliği, sadece saat sinyallerinin üretilmesi ile sınırlı değildir.

►İlginizi Çekebilir: Piezolektrik Kristalli Aktif Paratoner Nedir?

Piezoelektrik etkinin doğasını göz önüne alındığında, bir piezoelektrik cihaz bir kuvvet sensörü olarak da işlev görebilir. Piezoelektrik materyalin kullanılması, bir transdüktörün uygulanan bir kuvvetin neden olduğu mekanik strese güvenilir ve öngörülebilir bir şekilde yanıt vermesini sağlar. Bu yanıt, basınç ya da ivme ile de alınabilir.

Piezoelektriklik, mekanik gerilimi voltaja dönüştüren bir etki olarak görülür. Bir piezoelektrik dönüştürücü , mekanik strese cevap olarak bir elektrik yükü üretir. Piezoelektrik malzemeye uygulanan kuvvet ile üretilen yük miktarı arasındaki matematiksel ilişki, d ile gösterilen ve newton başına coulombs cinsinden ifade edilen bir katsayı tarafından yönetilir. Bu değer için verilen isimlerden biri piezoelektrik yük sabitidir. Katsayı veya piezoelektrik katsayısı olarak da isimlendirilebilir. Eğer bir piezoelektrik malzeme bir katsayıya sahipse Newton başına 200 pikocoulombs üretir.( 200 × 10 ^-12 ,1 newtonluk uygulanan bir kuvvete yanıt olan coulombs miktarı)

Standart devre şemaları şarj kaynaklarını içermez. Ancak piezoelektrik dönüştürücüsünün ürettiği yükü temel alarak kolayca bir kaynak oluşturabilir.

Birincisi, elektrik akımının (amper cinsinden), devrenin belirli bir kısmı boyunca saniyede akan elektrik yükünün (coulombs cinsinden) miktarı olduğunu hatırlamamız gerekir. Bu ifadeyi matematiksel dile çevirirsek, akımın ücretin değişim oranı olduğunu söyleyebiliriz. Yani,

Piezoelektrik dönüştürücü tarafından üretilen yükün hareketli olduğu kabul edilir. Cihaz bir devreye bağlıysa, bu şarj hareket eder ve böylece akım oluşur. Bu, piezoelektrik cihazı bir akım kaynağı kullanarak, akımın yük türevine eşit değeriyle modellememiz anlamına gelir.

Bir piezoelektrik cihaz, kondansatör ile paralel bağlanmış bir akım kaynağı veya bir kondansatör ve bir dirençle paralel bağlanmış bir akım kaynağı ile temsil edilebilir.

Kondansatörle paralel bir akım kaynağı ile piezoelektik
Piezoelektrik materyalden üretilen elektrik yükü, iki elektrod aracılığıyla devreye müdahile eder. Ortaya çıkan fiziksel yapılandırma şu şekildedir:

Elektrotlar bir kondansatör oluşturur ve bu kapasitans cihazın eşdeğer devresinin ayrılmaz bir parçası haline gelir.

Kapasitif bir devrede voltaj ve akım arasındaki ilişki öz önüne alınarak, eşdeğer devrenin çıkış voltajı şemadaki V_OUT olarak hesaplanabilir. Gerilim, kapasitans ile bölünen zamana göre akımın integraline eşittir:

Burada C, mevcut kaynak ile paralel olan herhangi bir kapasitenin değeridir. Piezoelektrik cihaz tarafından üretilen yük, piezoelektrik katsayısı ile çarpılan uygulanan kuvvete eşittir. Sonuç olarak, V _OUT kapasitans ile bölünen uygulanan kuvvet ile orantılıdır.

Bir kondansatör ve bir dirençle paralel bir akım kaynağı ile piezoelektrik

Bir piezoelektrik dönüştürücünün akım kaynağı artı kapasitans modeli “dinamik” algılama uygulamaları, diğer bir deyişle, doğada veya sürekli olarak değişen geçici fiziksel şartları içeren uygulamalar için yeterlidir. Bir piezoelektrik materyal, mekanik strese cevap olarak elektrik yükü üretir, ancak bu yük sonsuza kadar kalmaz. Bunun yerine, malzemenin kendisi, yükün kademeli olarak azalmasına neden olan bir sızıntı yolu olarak işlev görür. Eşdeğer devreye paralel bir direnç eklenerek bu davranış açıklanabilir.Modellemede, piezoelektrik işlevselliğinin daha genel bir temsilini oluşturabilmek için paralel direnç eklememiz gerekir: