Sensors són dispositius que s’utilitzen per detectar o detectar els diferents tipus de magnituds físiques de l’entorn. L'entrada podria ser llum, calor, moviment, humitat, pressió, vibracions, etc. La sortida generada sol ser un senyal elèctric proporcional a l'entrada aplicada. Aquesta sortida s'utilitza per calibrar l'entrada o el senyal de sortida es transmet per una xarxa per a un processament posterior. En funció de l’entrada a mesurar hi ha diversos tipus de sensors. Basat en mercuri termòmetre actua com a sensor de temperatura , un sistema de control d’emissions de sensor d’oxigen al cotxe detecta oxigen, el sensor fotogràfic detecta la presència de llum visible. En aquest article, descriuríem el sensor piezoelèctric . Consulteu l'enllaç per obtenir més informació sobre efecte piezoelèctric .

Definició d'un sensor piezoelèctric

Un sensor que funciona segons el principi de piezoelectricitat es coneix com a sensor piezoelèctric. On la piezoelectricitat és un fenomen on es genera electricitat si s’aplica una tensió mecànica a un material. No tots els materials tenen característiques piezoelèctriques.

Sensor piezoelèctric

Hi ha diversos tipus de materials piezoelèctrics. Exemples de materials piezoelèctrics són quars, ossos, monocristall disponibles naturals ... Fabricats artificialment com ceràmica PZT, etc.

Funcionament d'un sensor piezoelèctric

Les quantitats físiques mesurades habitualment per un sensor piezoelèctric són l’acceleració i la pressió. Tant els sensors de pressió com els d’acceleració funcionen sobre el mateix principi de piezoelectricitat, però la principal diferència entre ells és la forma d’aplicar la força al seu element sensible.

Al sensor de pressió, es col·loca una fina membrana sobre una base massiva per transferir la força aplicada al element piezoelèctric . En aplicar la pressió sobre aquesta fina membrana, el material piezoelèctric es carrega i comença a generar tensions elèctriques. La tensió produïda és proporcional a la quantitat de pressió aplicada.

En acceleròmetres , la massa sísmica s’uneix a l’element cristal·lí per transferir la força aplicada a materials piezoelèctrics. Quan s’aplica el moviment, la càrrega de massa sísmica és el material piezoelèctric segons Segona llei de Newton de moviment. El material piezoelèctric genera càrrega que s’utilitza per calibrar el moviment.

S’utilitza un element de compensació d’acceleració juntament amb a sensor de pressió ja que aquests sensors poden captar vibracions no desitjades i mostrar lectures falses.

Circuit del sensor piezoelèctric

A sobre es mostra un circuit intern del sensor piezoelèctric. La resistència Ri és la resistència interna o resistència a l'aïllador. La inductància es deu a la inèrcia de el sensor . La capacitat Ce és inversament proporcional a l'elasticitat del material del sensor. Per a una resposta adequada del sensor, la resistència a la càrrega i la fuita ha de ser prou gran com per preservar les freqüències baixes. Un sensor es pot anomenar pressió transductor en un senyal elèctric. Els sensors també es coneixen com a transductors primaris.

Sensor piezoelèctric

Especificacions del sensor piezoelèctric

Algunes de les característiques bàsiques dels sensors piezoelèctrics són

- El rang de mesura: Aquest rang està subjecte a límits de mesura.

- Sensibilitat S: Relació del canvi del senyal de sortida ∆y al senyal que ha provocat el canvi ∆x.
  S = ∆y / ∆x.
- Fiabilitat: Això explica la capacitat dels sensors per mantenir les característiques en determinats límits en condicions operatives establertes.

A més, algunes de les especificacions dels sensors piezoelèctrics són un llindar de reacció, errors, temps d’indicació, etc.

Aquests sensors contenen com a valor d’impedància ≤ 500Ω.
Aquests sensors funcionen generalment en un rang de temperatura d’entre -20 ° C i + 60 ° C.
Aquests sensors s'han de mantenir a una temperatura d'entre -30 ° C i + 70 ° C per evitar la seva degradació.
Aquests sensors són molt baixos Soldadura temperatura.
La sensibilitat a la deformació d’un sensor piezoelèctric és de 5V / µƐ.
A causa de la seva alta flexibilitat, el quars és el material més preferit com a sensor piezoelèctric.

Sensor piezoelèctric que utilitza Arduino

Com que hem de saber què és un sensor piezoelèctric, vegem una aplicació senzilla d’aquest sensor mitjançant Arduino. Aquí intentem canviar un LED quan el sensor de pressió detecta força suficient.

Es requereix maquinari

Taula Arduino .
Sensor de pressió piezoelèctric.
LED
Resistència d'1 MΩ.

Esquema de connexions:

Aquí el cable positiu del sensor indicat amb fil vermell està connectat al pin analògic A0 de la placa Arduino mentre que el cable negatiu indicat amb fil negre està connectat a terra.
Es connecta una resistència d'1 MΩ en paral·lel a l'element piezoelèctric per limitar la tensió i el corrent produïts per l'element piezoelèctric i per protegir l'entrada analògica de vibracions no desitjades.
L'ànode LED està connectat al pin digital D13 de l'Arduino i el càtode està connectat a terra.

Esquema del circuit

Treball

Al circuit s’estableix un valor llindar de 100 de manera que el sensor no s’activi per a vibracions inferiors al llindar. Amb això, podem eliminar petites vibracions no desitjades. Quan la tensió de sortida generada per l’element del sensor és superior al valor llindar, el LED canvia d’estat, és a dir, si es troba a l’ALTA, passa a BAIX Si el valor és inferior al llindar, el LED no canvia el seu estat i es manté en el seu estat anterior.

Codi

const int ledPin = 13 // LED connectat al pin 13 digital
const int Sensor = A0 // Sensor connectat al pin analògic A0
const int llindar = 100 // Llindar definit a 100
int sensorReading = 0 // variable per emmagatzemar el valor llegit des del pin del sensor
int ledState = BAIX // variable que s’utilitza per emmagatzemar l’últim estat del LED, per commutar la llum

configuració nul·la ()
{
pinMode (ledPin, OUTPUT) // declara el ledPin com a OUTPUT
}

bucle buit ()
{
// llegiu el sensor i deseu-lo a la variable sensorReading:
sensorReading = analogRead (Sensor)

// si la lectura del sensor és superior al llindar:
if (sensorReading> = llindar)
{
// canviar l'estat del ledPin:
ledState =! ledState
// actualitzeu el pin LED:
digitalWrite (ledPin, ledState)
delay (10000) // delay
}
en cas contrari
{
digitalWrite (ledPin, ledState) // l’estat inicial del LED, és a dir, BAIX.
}
}

Aplicacions de sensors piezoelèctrics

- S’utilitzen sensors piezoelèctrics detecció de xoc .

- Els sensors piezoelèctrics actius s’utilitzen per mesurar el gruix, el sensor de cabal.

- Els sensors piezoelèctrics passius s’utilitzen amb micròfons, acceleròmetres, pastilles musicals, etc.

- Els sensors piezoelèctrics també s’utilitzen per a la realització d’imatges per ultrasons.
- Aquests sensors s'utilitzen per a mesures òptiques, mesures de micro moviment, electroacústica, etc.

Per tant, això es tracta del que és un sensor piezoelèctric , propietats, especificacions i també una senzilla interfície del sensor mitjançant la placa Arduino. Aquests sensors senzills d’utilitzar troben un lloc en diverses aplicacions. Com heu utilitzat aquests sensors al vostre projecte? Quin va ser el repte més gran que vau haver d’afrontar en utilitzar aquests sensors?