Измерение вибрации с использованием пьезоэлемента

Иногда требуется зарегистрировать виброакустические сигналы с крайне малой частотой от 0 Гц. Конечно существуют довольно дорогие специализированные датчики для этой цели, но можно приспособить дешевые пьезоизлучатели. Они используются для генерации звука (пищалок) в разных мобильных приборах.  Дело в том, что пьезоэлектрики работают в разные стороны.
Пьезоэлемент – электромеханический преобразователь, изготавливаемый из пьезоэлектрических материалов, определенной формы и ориентации относительно кристаллографических осей, с помощью которого механическая энергия преобразуется в электрическую (прямой пьезоэффект), а электрическая в механическую (обратный пьезоэффект).
Конструктивно пьезоэлемент представляет из себя пьезокерамику с нанесенными электродами.
Пьезоэлементы могут быть разнообразной формы: в виде дисков, колец, трубок, пластин, сфер и др. 
Пьезоэлектрические вещества (пьезоэлектрики), в частности пьезокерамика, имеет то свойство, что при деформации под действием внешнего механического давления на их поверхности возникают электрические заряды. Этот эффект называется прямым пьезоэлектрическим эффектом и был открыт в 1880 г. братьями Кюри.
Вскоре после этого (в 1881 г.) был подтвержден и обратный пьезоэффект, а именно что такое
вещество, расположенное между двумя электродами, реагирует на приложенное к нему электрическое напряжение изменением своей формы. Первый эффект в настоящее время используется для измерений, а второй – для возбуждения механических давлений, деформаций и колебаний.
Нас сейчас интересует прямой пьезоэффект.

Для получения цифрового сигнала можно использовать плату Arduino и подключить пьезоэлемент к его аналоговому входу. Но тут возникает проблема – при работе такого датчика постепенно сигнал нарастает и уходит в насыщение.
Смоделировать эту ситуацию можно использовав вместо пьезодатчика потенциометр с большим сопротивлением и конденсатором также с большим номиналом (пьезокерамика с двумя металлическими обкладками является конденсатором). 

Измерение вибрации с использованием пьезоэлемента

Именно из-за него возникают проблемы, т.к. он заряжается зарядами от пьезоэлемента и не может разрядиться, т.к. сопротивление АЦП довольно высокое.
Для тестирования подойдет такой код для Ардуино:

void setup()
{
  pinMode(A0, INPUT);
  Serial.begin(9600);
 
}
 
void loop()
{
  Serial.println(analogRead(A0));
  delay(10); 
}

В мониторе порта получаем примерно такую картину:

Измерение вибрации с использованием пьезоэлемента


Для исключения проблемы подключим резистор параллельно входу АЦП Ардуино, тогда получается дополнительный путь току для разряда конденсатора. Однако, чем меньше номинал резистора, тем больше влияние на результаты измерения (повышается нижняя граница полосы пропускания датчика).  
Приемлемые результаты дают номиналы от 1 до 10 М Ом.

Измерение вибрации с использованием пьезоэлемента


При заряде конденсатора (пьезоэлемента) сразу происходит его разряд и сигнал приходит к нулю,
если не возникает новых колебаний. Причем, амплитуда всплеска будет пропорциональна силе
механического толчка (давления) на преобразователь.

Измерение вибрации с использованием пьезоэлемента

Подобрав номинал резистора под требуемую нижнюю частоту регистрации, можно собрать простой регистратор вибраций.

Измерение вибрации с использованием пьезоэлемента


С его помощью можно получить объективные данные о довольно сильных вибрациях, например
геологических. Из медико-биологических сигналов можно выявить разве что пульсации артерий с целью подсчета частоты сердечных сокращений. Для большей чувствительности между АЦП и датчиком следует поставить усилитель постоянного тока с высоким входным сопротивлением и фильтр низких частот.

(с) Роман Исаков, 2020

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *