Site Loader
Posted on 13.03.1979

Содержание

Пьезоизлучатель и как его подключить к микроконтроллеру

      Амплитудно-частотная характеристика пьезоизлучателя не равномерна и имеет  выраженный максимум (или несколько максимумов) на частотах от 2000 до 5000 Гц (в зависимости от конструкции излучателя). Именно на частоте максимума, называемой резонансной частотой, от пьезоизлучателя можно добиться наибольшей громкости.   

   Обычно пьезоизлучатель подключают к микроконтроллеру по самой простой схеме. Один вывод излучателя сажают на землю, другой через резистор подсоединяют к микроконтроллеру. Резистор ограничивает ток перезарядки  емкости пьезоизлучателя. В  макетах им можно пренебречь, по крайней мере, я всегда так делаю, и ни одного контроллера пока не спалил.   
   Для получения двойной амплитуды сигнала (то есть где-то 9-10 вольт при напряжении питания микроконтроллера 5 вольт) можно включить пьезоизлучатель между двумя выводами  микроконтроллера. При этом не нужно забывать, что у пьезоэлектрического преобразователя есть такие параметры как номинальное и предельное входные напряжения. Понятно, что превышать эти значения не желательно.
   Сигналы, подаваемые на выводы микроконтроллера в таком включении должны быть противофазными (на одном выводе 0, на другом 1 и наоборот).
   Получить двойную амплитуду сигнала, не используя дополнительный вывод микроконтроллера, можно с помощью такой нехитрой схемы. Когда на выводе PC0 единица – транзистор открыт, правый контакт пьезоизлучателя подключен к земле, а на левом напряжение логической единицы. Когда на выводе PC0 ноль – транзистор закрыт, правый контакт пьезоизлучателя подключен к плюсу питания (VCC должно быть равно напряжению питания микроконтроллера), а левый посажен на землю.
   На многих платах микроконтроллер запитывается от стабилизатора напряжения, на вход которого подается 7-12 вольт. Можно задействовать это напряжение для увеличения громкости звучания пьезоизлучателя, если подключить его к микроконтроллеру с помощью транзистора.

    


   Ну и, наконец, двойную амплитуду сигнала на пьезоизлучателе можно получить с помощью логических микросхем – НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Эту схему выгодно использовать, если на плате остались не задействованные вентили логических микросхем. 


   Варианты включения пьезоизлучателя с использованием дросселей и повышающих трансформаторов рассматривать не стал, потому что не использую их.
 

AVR. Работа с пьезоизлучателем. Проигрывание мелодии

В этой статье мы рассмотрим способ воспроизведения тональных сигналов и научимся проигрывать монофоническую мелодию.

Подготовка к работе

На нашем TutorShield’е установлен пьезоизлучатель. Для его подключения установите перемычку между отмеченными выводами. Эти контакты подписаны как «buz». При их замыкании пьезоизлучатель подключается к выводу микроконтроллера PC5.

Подключение пьезоизлучателя

Пьезоизлучатели бывают двух типов — со встроенным генератором и без. Зуммеры со встроенным генератором излучают фиксированный тональный сигнал сразу после подачи на них номинального напряжения. Они не могут воспроизводить произвольный сигнал. Их обычно используют для простого звукового оповещения. Если требуется проиграть мелодию, или в разных ситуациях по-разному «пищать», то используют пьезоизлучатели без встроенного генератора и генерируют сигнал отдельно.

На нашем шилде установлен зуммер без встроенного генератора и мы сможем воспроизводить различные мелодии. Если вы не используете наш шилд, то можете просто подключить зуммер между выводом PC5 и землей, и все примеры будут работать и у вас тоже на микроконтроллере Atmega8.

Первая программа

Для начала попробуем воспроизвести простой тональный сигнал, периодически меняющий свою частоту. Скомпилируйте и загрузите следующий код:


#include <avr/io.h>
#define F_CPU 16000000UL //16MHz
#include <util/delay.h>

int main(void) {
    DDRC  |= 1<<5;
    PORTC &= ~1<<5;
    while(1) {
        for(int i=0; i<1000; i++) {
            PORTC |= 1<<5;
            _delay_us(500);
            PORTC &= ~1<<5;
            _delay_us(500);
        }
        for(int i=0; i<500; i++) {
            PORTC |= 1<<5;
            _delay_ms(1);
            PORTC &= ~1<<5;
            _delay_ms(1);
        }
    }
}

Чтобы разобраться с этой программой нужно иметь представление о физике звука. Это механические колебания с относительно низкой частотой, слышимые ухом. Чем выше частота колебаний, тем выше воспроизводимая нота.

В начале происходит настройка вывода PC5 на выход, а в основной части программы прокручиваются два цикла.
В первом цикле на 500мкс выставляется высокий уровень напряжения на выводе, а затем на 500мкс и цикл этот повторяется тысячу раз. Другими словами период сигнала составляет 1000мкс (или 1мс), а частота 1кГц. Если мы повторяем этот сигнал 1000 раз, то звучать он будет ровно одну секунду. В результате работы этого цикла в течении одной секунды будет воспроизводиться звук с частотой 1кГц.
Во втором цикле период сигнала будет 2мс, частота 500Гц, а повторяться он будет 500 раз, то есть в течении одной секунды.
В результате работы всей программы вы будете слышать, что частота сигнала меняется раз в секунду.

Star Wars — Main Theme

При желании можно прописать любую мелодию по аналогии с первой программой. Это потребует много усилий, но задача выполнимая. Такой код будет очень сложно поддерживать и если вы захотите записать другую мелодию, вам придется писать все заново.
Чтобы записать все в удобном виде и получить возможность простого изменения мелодии нам придется освоить много новых тонкостей программирования. Для начала просто, не задумываясь над кодом, запишите в микроконтроллер следующую программу:


#include <avr/io.h>
#define F_CPU 16000000UL //16MHz
#include <util/delay.h>

#define F4 349
#define A4S 466
#define F5 698
#define C5 523
#define D5 587
#define D5S 622
#define A5S 932
#define LOOPS_PAUSE 1000 //between loops, ms
#define NOTES_PAUSE 1 //between notes, ms
#define SEQU_SIZE 19 //notes quantity
#define TEMPO 108 //quarter in minute
#define WHOLE_NOTE_DUR 240000/TEMPO //ms
uint16_t notes[]={F4, F4, F4, A4S, F5, D5S, D5, C5, A5S, F5,
    D5S, D5, C5, A5S, F5, D5S, D5, D5S, C5 };
//whole note = 255
uint16_t beats[]={21, 21, 21, 128, 128, 21, 21, 21, 128, 64,
    21, 21, 21, 128, 64, 21, 21, 21, 128};
uint16_t note_duration[SEQU_SIZE];
uint32_t signal_period[SEQU_SIZE];
uint32_t elapsed_time;
uint8_t i;

void VarDelay_us(uint32_t takt) {
    while(takt--) {
        _delay_us(1);
    }
}

int main(void) {
    DDRC  |= 1<<5;
    PORTC &= ~1<<5;
    //converting notes to signal period, us
    for (i = 0; i < SEQU_SIZE; i++) {
        signal_period[i] = 1000000 / notes[i];
    }
    //converting beats to notes duration, ms
    for (i = 0; i < SEQU_SIZE; i++) {
        note_duration[i] = (WHOLE_NOTE_DUR*beats[i])/255;
    }
    while(1) {
        for (i = 0; i < SEQU_SIZE; i++) {
            elapsed_time = 0;
            while (elapsed_time < 1000*((uint32_t)note_duration[i])) {
                PORTC |= 1<<5;
                VarDelay_us(signal_period[i]/2);
                PORTC &= ~(1<<5);
                VarDelay_us(signal_period[i]/2);
                elapsed_time += signal_period[i];
            }
            _delay_ms(NOTES_PAUSE);
        }
        _delay_ms(LOOPS_PAUSE);
    }
}

Если все сделано правильно, будет воспроизводиться мелодия из фильма «Звездные войны».

Теперь давайте разбираться с программой.
После подключения библиотек сразу идет объявление частот используемых в мелодии нот. Это удобно с человеческой точки зрения, тем более что найти соответствие между нотой и частотой очень легко. Мы занесли только те ноты, которые используются в мелодии.

Затем задаются некоторые константы, о которых мы поговорим позже, после чего объявляются переменные.
Сразу хочется обратить внимание на способ объявления переменных. В таком виде очень удобно задавать целочисленные переменные с явно заданной длинной.

  • uint8_t (unsigned integer) — беззнаковая (всегда положительная) целочисленная переменная длиной 8 бит. Может принимать значения от 0 до 255 (0b11111111)
  • int8_t (signed integer) — знаковая переменная от минус 127 до 127
  • uint16_t — от 0 до 65535
  • int16_t — от минус 32767 до 32767
  • и т.д.

Это очень удобный формат описания в котором сразу видно, какой диапазон значений моет принимать переменная. Подробно о нем можно почитать здесь.

В программе объявляются два массива. Массив с нотами notes[] содержит простое перечисление нот. Этим нотам сопоставляется длительность звучания в массиве beats[]. Длительность в музыке определяется делителем ноты по отношению к целой ноте. За целую ноту принимается значение 255. Половинки, четверти, восьмые получаются путем деления этого числа.
Обратите внимание, что длительность первой же ноты не получается путем деления 255 на степень двойки. Тут придется переключиться на теорию музыки. Ноты исходной мелодии можно посмотреть здесь. Эти ноты объединены в триоли. При таком объединении три ноты по одной восьмой звучат также, как одна четвертая. Поэтому их относительная длительность 21.

Также пользователю необходимо явно указать количество нот в последовательности директивой:


#define SEQU_SIZE 19

В основной программе в первую очередь происходит пересчет массивов частот и длительность в периоды сигналов и длительность нот.
С периодами сигналов (массив signal_period[]) все просто. Чтобы получить длительность периода в микросекундах достаточно разделить 1000000 на частоту сигнала.
Для расчета абсолютной длительности звучания нот необходимо, чтобы был указан темп музыкального произведения. Делается это директивой


#define TEMPO 108

Темп в музыке, это количество четвертей за минуту. В строке


#define WHOLE_NOTE_DUR 240000/TEMPO

рассчитывается длительность целой ноты в миллисекундах. Теперь достаточно по формуле пересчитать относительные значения из массива beats[] в абсолютные массива note_duration[].
В основном цикле, переменная elapsed_time инкрементируется после каждого периода воспроизводимого сигнала на длительность этого периода до тех пор, пока не превысит длительность звучания ноты. Стоит обратить внимание на эту запись:


while (elapsed_time < 1000*((uint32_t)note_duration[i]))

Переменная elapsed_time 32ух-битная, а элементы массива notes_duration[] 16ти-битная. Если 16ти битное число умножить на 1000, то гарантированного наступит переполнение и переменная elapsed_time будет сравниваться с мусором. Модификатор (uint32_t) преобразует элемент массива notes_duration[i] в 32ух-битное число и переполнение не наступает.
В цикле воспроизведения звука вы можете увидеть еще одну особенность. В нем не получится использовать функцию _delay_us(), так как ее аргументом не может быть переменная.
Для создания таких задержек используется функция VarDelay_us(). В ней цикл с задержкой в 1мкс прокручивается заданное количество раз.


void VarDelay_us(uint32_t takt) {
    while(takt--) {
        _delay_us(1);
    }
}

При воспроизведении мелодии используется еще две задержки. Если ноты будут воспроизводиться без пауз, то они будут сливаться в одну. Для этого между ними вставлена задержка 1мс, заданная директивой:


#define NOTES_PAUSE 1

После каждого полного цикла проигрывания мелодии программа делает паузу в 1с и начинает воспроизведение заново.
В итоге мы получили код, в котором легко изменить темп, поправить длительности или полностью переписать мелодию. Для этого достаточно будет только преобразовывать только часть программы с директивами и объявлением переменных.

Индивидуальные задания

  1. В предложенной мелодии попробуйте изменить темп исполнения и сделайте паузу 5 секунд между повторами.
  2. Элементы массива beats[] принимают значения только от 0 до 255. Измените разрядность элементов массива и посмотрите в выводе компилятора, как это повлияет на объем памяти, занимаемой программой.
  3. Теперь попробуйте самостоятельно изменить мелодию. Например, вот “Имперский марш” из того же кинофильма:
    
int notes[] = {A4, R,  A4, R,  A4, R,  F4, R, C5, R,  A4, R,  F4, R, C5, R, A4, R,  E5, R,  E5, R,  E5, R,  F5, R, C5, R,  G5, R,  F5, R,  C5, R, A4, R};
int beats[]  = {50, 20, 50, 20, 50, 20, 40, 5, 20, 5,  60, 10, 40, 5, 20, 5, 60, 80, 50, 20, 50, 20, 50, 20, 40, 5, 20, 5,  60, 10, 40, 5,  20, 5, 60, 40};

    В этой мелодии присутствуют паузы R. Дополните код так, чтобы обработать эту особенность.

Остальные статьи цикла можно найти здесь.

Про Ардуино и не только: Arduino MIDI-drums

Попалось мне как-то в интернете видео про барабаны из пьезоизлучателей и Ардуино. Идея мне очень понравилась и я решил собрать что-то подобное для сынишки. Поэтому начал изучать информацию по данной теме.
Пьезоэлектрический излучатель состоит из металлической пластины, на которую нанесён слой пьезоэлектрика, имеющий на внешней стороне токопроводящее напыление. Пластина и напыление являются двумя контактами. Пьезоизлучатель способен как генерировать звуковой сигнал из электрической энергии, так и конвертировать приходящие механические колебания в электрические. Именно на этом эффекте и основан принцип работы MIDI-барабанов, описанных в данной статье.

С подключением к Ардуино все просто, кроме собственно пьезоизлучателя нужен резистор на 1МОм. Ниже приведена схема подключения одного барабана.


Сигнал с пьезоизлучателя поступает на аналоговый вход Ардуино, а значит, используя плату UNO, можно подключить до 6 барабанов (если нужно больше, то почитайте мою публикацию про аналоговый коммутатор CD5041). Разрешение аналоговых входов 10 бит, т.е. считанное значение будет в диапазоне 0-1023. При этом необходимо отсеять шум, вызванный посторонними звуками и вибрациями. Для этого достаточно игнорировать все значения, меньшие некоторого порогового значения. Превышение выбранного порога будем принимать за удар по барабану.

Теперь когда мы можем отследить момент удара по барабану необходимо воспроизвести соответствующий звук. Эту задачу можно возложить на компьютер. Для этого будем передавать ему сообщения в MIDI-формате. Интересующимся рекомендую почитать статью MIDI в деталях. Часть 2 – Сообщения канала, она мне здорово помогла. Для остальных же скажу, что на Ардуино необходимо реализовать передачу MIDI-сообщений NOTE ON и NOTE OFF через Serial. Данные сообщения состоят из 3 байт:
Компьютер, а точнее установленная на нем музыкальная программа, при получении с MIDI-входа сообщения NOTE ON воспроизводит ноту с заданной частотой и громкостью (частота ноты определяется ее номером). Соответственно, NOTE OFF используется для снятия ноты. Здесь есть момент, имеющий отношение к нашим MIDI-барабанам: большинство звуков ударных имеют фиксированное время звучания, и управлять их длительностью с помощью команды NOTE OFF мы не можем. Тем не менее данная команда должна рано или поздно поступить, как того требует спецификация. Также отмечу, что для перкуссии в стандарте MIDI зарезервирован отдельный 10-й канал, поэтому Ардуино будет передавать в сообщениях номер канала 9 (нумерация с 0).

Как было сказано ранее, для воспроизведения звука требуется установка соответствующей программы. И такой подход применялся во всех публикациях на данную тему которые мне попадались. При этом входящие с Ардуино сообщения должны перенаправляться на MIDI-вход, например, при помощи программы Hairless MIDI <-> Serial. Я не музыкант, ничего подобного у меня на компьютере не установлено. И захламлять систему ненужным ПО не хотелось бы. Я поступил иначе: написал свою программу, которая читает сообщения из указанного COM порта и воспроизводит соответствующие звуки. Мне для написания ПО ближе всего Delphi, но т.к. это платный продукт, то для размещения здесь готовой программы и исходников к ней я воспользовался бесплатной средой Lazarus. В своей программе можно было бы отойти от формата сообщений MIDI, я рассматривал вариант с передачей номера барабана вместо конкретной ноты. И уже в программе можно сопоставить каждому барабану свой инструмент. Но в итоге я оставил эту затею, по крайней мере для публикации. Пусть лучше это будет MIDI-совместимое решение.


Вот и видео работы моих барабанов. Ниже есть ссылка для скачивания скетча и исходников программы для компьютера. Есть еще один момент, о котором стоит упомянуть: громкость барабанов. Чем сильнее удар, тем громче должен быть звук. Силу удара можно определить, сделав несколько считываний с пьезоизлучателя, по ним вычисляетсясреднее значение и уже на его основе можно рассчитать значение громкости. Но я хочу напомнить, что барабаны создавались как игрушка ребенку, поэтому я не стал так заморачиваться и при каждом ударе в MIDI-сообщении передается максимальная громкость — 127. Возможно, позже вернусь к данной теме и попробую доработать этот момент.

Скетч для Ардуино и программа для компьютера
Исходники для Lazarus (в архиве также есть необходимый компонент для работы с COM портом)

Устройства вывода информации для Arduino

Платформа Arduino — основа множества интересных электронных конструкций, особенно если в комплекте есть набор устройств для вывода информации. В недавно купленном наборе для Ардуино помимо датчиков (их рассматривали в другом обзоре), собирающих информацию об окружающей обстановке, имеется ряд простейших устройств вывода информации.

Модуль пьезоизлучателя KY-006 [1-2]

Пьезоизлучатель представляет собой модуль размер 25х 15 х 10 мм, масса 2,4 г.

На вывод S подается информационный сигнал, контакт “-“ подключается к общей шине. В качестве теста можно попробовать воспроизвести простую мелодию [3].

Модуль пьезо с генератором KY-012 [4-5]

Модуль аналогичен предыдущему, но имеет в своей конструкции встроенный генератор с фиксированной частотой генерации 2 кГц. Таким образом, нет необходимости конструировать отдельный звуковой генератор или прописывать генерацию звука программными средствами.

Размер модуля 25х 15 х 10 мм, масса 2,7 г. У модуля очень странная маркировка, для того чтобы добиться его работы автору пришлось подсоединить выход S к общей шине GND, а на контакт “-“ подавать логические сигналы. Центральный вывод был оставлен неподключенным. Видимо, в устройстве допущена ошибка при сборке. Но в целом модуль свою функцию выполняет.

Модуль реле KY-019 [6-8]

Релейный модуль предназначен для управления мощной нагрузкой, которую приходится включать и отключать сравнительно редко. Модуль дошел поврежденным, но на работоспособности модуля это не сказалось. Использовать данный конкретный модуль, в каком-либо ответственном устройстве конечно нельзя, но как наглядное пособие он даже, пожалуй, выигрывает.

Размер модуля 39х 27 х 17 мм, масса 13,4 г. Модуль имеет три вывода. Выводы “+“ и “-“ подключается к шине питания и общей шине, соответственно. На контакт S подаются управляющие сигналы.

Релейный модуль оснащен красным светодиодом, который зажигается при срабатывании реле.

Ток, потребляемый реле составляет 57 мА, что позволяет питать одно такое реле прямо от платы Arduino UNO.

Модуль зеленого светодиода

Пожалуй, самый простой модуль, который вообще можно придумать — зеленый светодиод, с добавочным резистором. Для тестирования этого модуля можно использовать всем известную программу Blink [9]. Наверное, не будет преувеличением сказать, что подключение светодиода и загрузка данного кода на плату, в Arduino-сообществе играет примерно туже роль, что раньше играло конструирование мультивибратора или детекторного приемника играло в сообществе радиолюбителей в целом. Это тот пример, с которого большинство начинающих радиолюбителей начинают свое путешествие в мир цифровой электроники вообще и программирования микроконтроллеров в частности.


Размер модуля 40 х 15 мм, масса 1,4 г. Следует отметить, что в данном модуле, контакт S продублирован на центральный контакт разъема, так что отдельно подключение питания не нужно, и более того, если светодиод подключить трехпроводным кабелем, как многие другие модули, то легко вывести плату Arduino из строя, по неосторожности замкнув шину питания и заземления. Ток потребления светодиода составляет около 11 мА.

Возможно, этот светодиод был вложен вместо семицветного мигающего светодиода KY-034 [10-11], или это он и есть, просто автору попался бракованный экземпляр.

Модуль 2-цветного светодиода 5 мм KY-011 [12-13]

Данный модуль представляет собой светодиод красного и зеленого свечения, закрепленный на небольшой печатной плате.

Размер 25 х 15 х 10 мм, масса 2,4 г. Следует отметить, что резистор R1 на плате бутафорский, его сопротивление стремится к нулю, по этой причине совершенно необходима установка резисторов в цепях питания каждого из кристаллов светодиода. Хотя возможно, это конструктивный недостаток того экземпляра модуля, который достался автору этого обзора. Используя ШИМ можно управлять не только яркостью, но и цветом свечения данного светодиода, плавно меняя ее от красного к зеленому. Легко получить, к примеру, оранжевое свечение регулируемой яркости.

Для управления светодиодом использовалась программа led2, которая представляет собой модифицированную версию программы управления яркостью светодиода [14].

Модуль двухцветного светодиода KY-029 [15-16]

За исключением, того факта, что светодиод имеет диаметр корпуса 3 мм, а не 5 мм, данный модуль аналогичен KY-011.

Размер модуля 18 х 15 мм, масса 1,3 г. При опытах у автора случайно сгорел красный кристалл светодиода, по этому осталось только зеленое свечение. Добавочные резисторы следует использовать обязательно.

Модуль RGB светодиода KY-016 [17-18]

Модуль представляет собой печатную плату с трехцветным светодиодом

Размер 24 х 15 х 15 мм, 1,6 г. На плате имеются добавочные сопротивления, так, что данный модуль без опаски можно подключать непосредственно к портам Arduino. Модуль имеет четыре контакта. R, G, B для управления светодиодами, соответствующего цвета свечения и общий контакт, обозначенный как «-». Использование ШИМ позволяет получить практически любой цвет свечения. Для управления прибором использовалась программа led3.

Модуль RGB светодиода (SMD) KY-009 [19-20]

С первого взгляда, кажется, что данный модуль аналогичен KY-016, но сходство обманчиво. Во первых на плате модуля нет добавочных сопротивлений, и во вторых в маркировке модуля допущена серьезная ошибка, вывод модуля, помеченный как «-», на самом деле «+».

Размер 24 х 15 мм, 1,2 г. В целом с поправкой на ошибки в маркировке свои функции прибор выполнять в состоянии.

Лазерный модуль KY-008 [21-22]

Модуль представляет собой миниатюрный полупроводниковый лазер, который, судя по наличию отдельного сигнального входа, помимо цепи питания, предназначен для передачи информации в видимом диапазоне излучения.

Размер 25х 15 х 12 мм, масса 2,4 г. Включить данный модуль автору не удалось, возможно, дело в том, что лазер неисправен, в возможно дело в криворукости автора.

В целом данная часть набора автору не очень понравилась, практически все представленные в ней приборы можно быстро изготовить самостоятельно. Отчасти эти недостатки могло бы искупить, то, что готовые модули заводского изготовления весьма удобны в работе прямо из коробки, но ошибки в маркировке, отсутствие или неработоспособность добавочных сопротивлений сводят эти достоинства на нет.

Продолжение обзора про оптические датчики Ардуино смотрите по ссылке.

Литература

  • 1) https://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-pezoizluchatelya
  • 2) http://www.zi-zi.ru/module/module-ky006
  • 3) http://robocraft.ru/blog/arduino/63.html
  • 4) https://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-pezoizluchatelya_
  • 5) http://www.zi-zi.ru/module/module-ky012
  • 6) https://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-rele
  • 7) http://www.zi-zi.ru/module/module-ky-019
  • 8) http://elwo.ru/publ/skhemy_na_mikrokontrollerakh/relejnyj_modul_dlja_arduino/9-1-0-1048
  • 9) http://robocraft.ru/blog/arduino/53.html
  • 10) https://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-migayuschego-7-tsvetami-svetodioda
  • 11) http://www.zi-zi.ru/module/module-7color-5mm
  • 12) https://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-2-tsvetnogo-svetodioda
  • 13) http://www.zi-zi.ru/module/module-2led-5mm
  • 14) http://robocraft.ru/blog/arduino/58.html
  • 15) https://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-na-osnove-dvuhtsvetnogo-svetodioda-3mm
  • 16) http://www.zi-zi.ru/module/module-2led-3mm
  • 17) http://robocraft.ru/blog/arduino/58.html
  • 18) http://www.zi-zi.ru/module/module-rgb-5mm
  • 19) https://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-rgb-svetodioda-_smd_
  • 20) http://www.zi-zi.ru/module/module-rgb-led
  • 21) https://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-lazera-_krasnyiy_
  • 22) http://www.zi-zi.ru/module/trans-ky-008

Скачать документацию можно по ссылке. Обзор подготовлен для сайта 2 Схемы — Denev


NV 4127 v.6.1 — Инструкция по эксплуатации

Интеллектуальный свето-звуковой о<strong>по</strong>вещатель<strong>NV</strong> <strong>4127</strong>Руководство <strong>по</strong> <strong>эксплуатации</strong>ИСЗО.00<strong>4127</strong>.061 РЭ1. Назначение.<strong>NV</strong> <strong>4127</strong> предназначен для тревожного или аварийного о<strong>по</strong>вещения в системе охранно-<strong>по</strong>жарной сигнализацииGE NX (CADDX) в виде световых и звуковых сигналов модулированной частоты, для отображения состоянияразличных разделов контрольной панели GE NX серии NX-4/4v2/6v2/8/8v2/8E (далее — контрольная панель).Для улучшения видимости <strong>по</strong>даваемых световых сигналов в конструкции о<strong>по</strong>вещателя применены светодиоды<strong>по</strong>вышенной яркости свечения. Для защиты от несанкционированного доступа внутрь о<strong>по</strong>вещателя и отрывакорпуса о<strong>по</strong>вещателя от стены применен микровыключатель тампер. В качестве акустического сигнализатораис<strong>по</strong>льзуется высокоэффективный квазидинамический пъезоизлучатель. О<strong>по</strong>вещатель защищен от <strong>по</strong>паданиявнутрь твердых тел и капель воды. Корпус изготовлен из высокопрочного пластика и устойчив к атмосфернымвоздействиям. Информация о соcтоянии разделов <strong>по</strong>ступает от системной шины контрольной панели. Питаниео<strong>по</strong>вещателя осуществляется от клемм контрольной панели, напряжением 12В.2. Технические характеристики.О<strong>по</strong>вещатели охранно-<strong>по</strong>жарные комбинированныеСерия <strong>NV</strong> 41XXВерсия 6.1.№ Наименование Значение1 Напряжение питания, В 11,5…14,52 Максимальный <strong>по</strong>требляемый ток на клеммах «STROBE», мА 1003 Максимальный <strong>по</strong>требляемый ток на клеммах «BELL», мА 1104 Максимальный <strong>по</strong>требляемый ток на клеммах «+12V», «COM» мА 405 Начальное состояние тампер-контакта «TAMPER» NC или NO6 Уровень звукового давления пьезоизлучателя, дБ 1107 Количество отображаемых разделов контрольной панели, шт. 2 (8)8 Максимальное расстояние от контрольной панели, м. 1009 Габаритные размеры,ДхШхВ, мм 210x115x7510 Рабочая температура, 0 С -25…5511 Максимально допустимая влажность, % 9512 Срок службы о<strong>по</strong>вещателя, лет 103. Подключение.3.1. Подключение тампера.При <strong>по</strong>дключении тампер-контакта к выбранной зоне Z (См. Рис.1.), запрограммируйте ее как круглосуточнаязона. Переключатель NO/NC, <strong>по</strong>зволяет выбирать начальное состояние тампер-контакта. (По умолчанию — NO).Вариант включения NOВариант включения NСNO — при закрытом корпусе и в <strong>по</strong>ложении закрепленном NС — при закрытом корпусе и в <strong>по</strong>ложении закрепленномна стене, контакты разомкнуты. При <strong>по</strong>пытке отрыва от на стене, контакты замкнуты. При <strong>по</strong>пытке отрыва отстены или вскрытия корпуса контакты замыкаются. стены или вскрытия корпуса контакты размыкаются.NO COM NCTAMPERRCOM ZNO COM NCTAMPERRCOM Z!3.2. Подключение звукового пьезоизлучателя.Для <strong>по</strong>дключения звукового пьезоизлучателя (сирены) соедините соответственно клеммы “+ BELL -” <strong>NV</strong> <strong>4127</strong> склеммами на контрольной панели (См. Рис.1.), а также запрограммируйте панель для работы с сиреной.3.3. Подключение светодиодов статуса.Для <strong>по</strong>дключения светодиодов статуса, <strong>по</strong>дключите соответственно клеммы +12V, COM, DATA на <strong>NV</strong> <strong>4127</strong> кклеммам AUX+, COM, DATA на контрольной панели. См. Рис.1.Внимание! Расстояние от <strong>NV</strong> <strong>4127</strong> до контрольной панели не должно превышать 100м!3.4. Установка.<strong>NV</strong> <strong>4127</strong> устанавливается на вертикальной стене внутри или снаружи <strong>по</strong>мещения, в месте, обеспечивающемнеобходимый обзор и исключающем несанкционированный доступ <strong>по</strong>сторонних лиц. Светофильтр оптическогоо<strong>по</strong>вещателя должен быть обращён вниз.Интеллектуальныйсвето-звуковой о<strong>по</strong>вещатель1<strong>NV</strong> <strong>4127</strong> <strong>v.6.1</strong>.Руководство <strong>по</strong> <strong>эксплуатации</strong>

Охранная сигнализация своими руками — Сделай сам – портал самодельщиков

Что-то не заметно признаков того, чтобы любители чужой собственности начали переводиться. Наоборот, все чаще слышишь, что у покупательницы, выбирающей на прилавке товар, из хозяйственной сумки исчез ридикюль с деньгами, а у кого-то в зале ожидания вокзала тихо «уплыл» целый чемодан. Случается и того хлеще – ценную вещь просто вырывают из рук и скрываются в толпе. От подобных неприятностей в какой-то степени могут защитить электронные устройства, которые не так уж и сложно изготовить самостоятельно. Причем здесь удается обойтись небольшим числом вполне доступных деталей.

Каким же ТТТ («тактико-техническим требованиям») должно отвечать подобное охранное устройство? Конечно, ему следует быть малогабаритным и легким, способным сохранять свои функции в течение достаточно длительного времени и выдавать в нужный момент звуковой сигнал, который мог бы привлечь внимание не только владельца «умыкнутой» вещи, но также и окружающих. Кроме того, устройству необходима механическая прочность, чтобы попытка злоумышленника «утихомирить» сигнал ударом украденного предмета о твердую поверхность не достигала цели.

В одном из предлагаемых вариантов охранного устройства, схема которого дана на рис. 1, применена распространенная микросхема К561ЛА7. Она содержит четыре одинаковых логических ячейки 2И-НЕ. Это значит – когда на одних входах ячейки имеется электрический сигнал высокого уровня («логическая единица»), на выходе появляется сигнал низкого уровня («логический нуль»). Присутствие хотя бы на одном входе нулевого сигнала вызовет единичный сигнал на выходе. Переход из одного состояния выхода к другому происходит скачком. Таким образом, создав между ячейками гибкую обратную связь посредством элементов R1 и С1, получим на основе микросхемы самовозбуждающийся генератор электрических колебаний, заставляющий достаточно громко «голосить» пьезоэлектрический звукоизлучатель BQ1.

Рис. 1. Схема простого сигнализатора

Но пока покушения на поставленную на охрану вещь не произошло, сигнализатор обязан молчать. Данное требование достигается соединением входов ячейки DD1.1 микросхемы с общим проводом схемы с помощью закоротки, включенной в миниатюрный разъем Х1. В результате фиксируется потенциал входов, что и служит запретом работы генератора. При попытке забрать вещь без ведома хозяина разъем Х1 расцепляется с закороткой и устройство издает сигнал, напоминающий телефонный звонок.

Где лучше расположить сигнальное устройство?

Думаю, что предпочтение следует отдать креплению сигнализатора на самой охраняемой вещи, например, кошельке, закрепив закоротку внутри сумки, где вы обычно держите этот кошелек. Если сумка с деньгами находится в руке, то закоротку можно привязать на цепочке к браслету на руке. В таком случае после кражи в руках похитителя окажется предмет, громким звуком выдающий лиходея, где бы он ни находился. Скорее всего тот поспешит сразу же избавиться от крикливой улики и убраться подальше.

Помимо микросхемы для сигнального устройства понадобятся: конденсатор С1 емкостью 4700 пФ типа КЛС, резистор R1 номиналом 30 кОм типа МЛТ-0,125, а также пьезоизлучатель типа ЗП-3. Самым подходящим источником питания для данной схемы стала бы батарея из шести миниатюрных элементов СЦ-0,18 (с более доступной батарейкой «Крона» габариты устройства получатся побольше). Минимум навесных деталей позволяет обойтись без монтажной платы, то есть распайку ведут непосредственно на выходах микросхемы. Поскольку пьезоизлучатель звучит наиболее громко на свойственной ему частоте резонанса, ее находят подбором номиналов деталей R1 и С1. При этом хорошо, чтобы сопротивление резистора R1 было возможно большим, поскольку от номинала резистора зависит ток, потребляемый устройством в дежурном режиме, а следовательно, срок службы батареи.

Еще более миниатюрный сигнализатор получится, если добыть «трехконтактный» пьезоизлучатель из неисправного телефонного аппарата зарубежного производства. Схема такого сигнализатора дана на рис. 2. Излучатель BQ1 совместно с транзистором VT1 образуют автоколебательную систему, в которой вывод G звукоизлучателя подает знакопеременное смещение на базу транзистора, отпирая и запирая его. В результате напряжение источника GB1 попеременно подается то на электроды R и В излучателя, то на сопротивление R3 – коллекторную нагрузку транзистора. Соответственно изменяется направление деформации пьезоэлемента и знак заряда на выводе G, то есть излучатель начинает работать.

Рис. 2. Схема миниатюрного сигнализатора

Для питания такого устройства подойдет малогабаритная цилиндрическая батарейка типа L1028, которая обеспечивает напряжение 12 В. В исходном состоянии сигнализатор молчит, поскольку транзистор заперт уже знакомой нам закороткой на разъеме Х1.

Если желателен сигнал значительно большей мощности, собирают несколько более сложную схему (рис. 3). Конечно, габариты последнего устройства получатся побольше, чем у описанных выше. В схеме применена микросхема-таймер типа КР1006ВИ1, включенная мультивибратором. Частота последнего определяется соотношением номиналов элементов R3 и С1, которые должны обеспечить максимальную громкость звучания пьезоизлучателя марки СП-1 (излучатель включен через малогабаритный автотрансформатор Т1).

Рис. 3. Схема «громкого» сигнализатора

В дежурном режиме цепь питания генератора разорвана транзистором VT1, запертым благодаря соединению базы с эмиттером через ту же закоротку. При ее изъятии транзистор получает смещение на базу через резистор R1 и отпирается, подавая питание на микросхему.

В этом устройстве применены резисторы типа МЛТ-0,125 и конденсаторы типа КЛС (С1) и К53-1 (номиналы и резисторов, и конденсаторов даны в схеме). В качестве автотрансформатора подойдет выходной трансформатор от малогабаритного приемника, например, «Селги- 404», к которому только придется добавить новую первичную обмотку L1. Она наматывается поверх имеющихся обмоток в зазоре между ними и железом магнитопровода. Обмотка содержит 70 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,1 мм. После намотки все катушки соединяются последовательно так, чтобы напряжения на них складывались.

Источником питания послужит уже упоминавшаяся батарейка L1028. В процессе наладки схемы помимо установки частоты мультивибратора следует подобрать максимально большое сопротивление резистора R1, при котором обеспечивалось бы полное открытие транзистора (при снятой закоротке). Попробуйте также к выводам коллектор-эмиттер транзистора подсоединить оксидный конденсатор того же типоразмера, что и конденсаторы С2 и С3. Если такое подключение даст положительный эффект, введите конденсатор в схему устройства.

Кстати, заметим, что «голосистость» приведенного в действие устройства, схема которого дана на рис. 3, достаточна для того, чтобы даже отпугнуть нападающего.

Приступая к изготовлению того или иного охранного устройства, следует продумать его компановку, а также способ надежного крепления к подлежащей охране вещи. Конечно, предусмотрите крепкий и легкий футляр для сигнализатора. Необходимо также обеспечить надежную фиксацию батарейки в корпусе.

А как заставить молчать сигнализатор, если вам самим понадобилось воспользоваться вещью, «взятой под охрану»? Вариантов здесь множество. Можно, например, вынимать кошелек вместе с закороткой, предварительно отстегнув ее от сумки. Можно также параллельно закоротке установить в сигнализаторе миниатюрный выключатель, например, из винтика и двух контактов, с помощью которого вы бы перед тем, как вынуть кошелек, шунтировали закоротку.

(Не думаю, что данная система охраны личных вещей найдет широкое распространение. Но аналогичные сигнализаторы могут пригодиться и для других целей. – Примечание редактора.)

Как моделировать пьезоэлектрические устройства как передатчики и приемники

Пьезоэлектрические устройства широко используются в качестве источников для генерации звуковых волн или приемников для обнаружения акустических сигналов. В таких приложениях, как ультразвуковая визуализация и неразрушающий контроль, один и тот же преобразователь может использоваться в качестве передатчика для отправки сигнала источника и приемника для обнаружения эхо-сигналов. Моделирование этих устройств часто требует анализа переходных процессов с выводом времени пролета. Давайте обсудим, как использовать программное обеспечение COMSOL Multiphysics® для моделирования пьезоэлектрического устройства в качестве передатчика и приемника.

Подключение преобразователя к внешней цепи в пьезоэлектрическом устройстве

Лучший способ смоделировать пьезоэлектрическое устройство, которое действует как передатчик и как приемник, — это подключить преобразователь к внешней цепи с помощью функции Terminal . Обычно это ситуация в реальных приложениях, в которых пьезоэлектрический слой зажат между двумя тонкими электродными слоями, чтобы его можно было подключить к цепи. Дополнительным преимуществом функции Terminal является то, что COMSOL Multiphysics вычисляет доступные сосредоточенные параметры, которые можно оценить после решения модели.


Модель акустического каротажа скважины с пьезоэлектрическим преобразователем, который передает и принимает звук.

Клемма , функция и интерфейс Electric Circuit доступны с модулем AC / DC или модулем MEMS. Альтернативный метод — использовать функцию Плотность поверхностного заряда и указать поверхностный заряд для возбуждения преобразователя. (Это будет обсуждаться позже в сообщении блога.)

Использование функции терминала

Чтобы продемонстрировать, мы собираемся создать простую двухмерную осесимметричную модель пьезоэлектрического устройства.Как показано на рисунке ниже, в качестве преобразователя используется диск из цирконата-титаната свинца (PZT-5H) радиусом 2 мм и толщиной 1 мм. Он сидит в бесконечно большой перегородке и излучает звуковой импульс в водную область наверху. Когда звуковые волны достигают твердых стенок наверху, они отражаются обратно в область воды и улавливаются преобразователем. Акустическая энергия отражается обратно к приемнику, но некоторая часть также передается за пределы области.

Этот процесс будет повторяться много раз, прежде чем акустическая энергия уменьшится за счет рассеяния или затухания.Предполагается, что водная область простирается до бесконечности в боковом направлении, что моделируется с помощью функции Perfectly Matched Layer (PML).


Геометрия модели для демонстрации.

Этот сценарий может быть смоделирован с использованием интерфейса Acoustic-Piezoelectric Interaction, Transient , предварительно определенного мультифизического интерфейса, который объединяет интерфейсы Pressure Acoustics, Transient и Piezoelectric Devices , чтобы связать изменения акустического давления в жидкостях со структурной деформацией. как в твердых телах, так и в твердых пьезоэлектрических доменах.Интерфейс Piezoelectric Devices также является мультифизическим интерфейсом. Он объединяет интерфейсы Solid Mechanics и Electrostatics вместе с определяющими соотношениями, необходимыми для моделирования пьезоэлектричества.

При использовании функции Terminal к модели добавляется интерфейс Electrical Circuit для возбуждения преобразователя и приема обнаруженных сигналов. Графическое изображение схемы показано слева на рисунке ниже.Импульс возбуждения, генерируемый источником напряжения, представляет собой модулированную синусоидальную волну гауссовой формы с центральной частотой 200 кГц (показано справа).


К преобразователю подключена электрическая цепь для управления устройством и приема сигналов. Справа показан возбуждающий электрический импульс.

Для подключения преобразователя к электрической цепи в модели необходимо:

  1. Добавьте узел Terminal к интерфейсу Electrostatics и установите Terminal type на Circuit (верхнее изображение)
    • Узел Terminal обеспечивает вольт-амперную характеристику цепи
  2. При выборе границы добавьте границу, в которой электрод подключен к электрической цепи.
    • В этом примере это верхняя поверхность пьезоустройства
  3. Добавьте узел Ground к интерфейсу Electrostatics и примените его к другому электроду пьезоустройства (центральное изображение)
    • В этом примере нижняя поверхность пьезоустройства заземлена
  4. Добавьте узел External I-Terminal к интерфейсу Electrical Circuit и установите электрический потенциал внешнего терминала на Напряжение на клемме (es / term1) (нижнее изображение)
    • Функция External I-Terminal подключает измерение напряжения относительно земли в качестве назначения напряжения относительно земли для узла в электрической цепи
    • Результирующий ток цепи от узла затем возвращается как заданный источник тока в контексте измерения напряжения
    • Убедитесь, что в поле редактирования Node Connections правильный узел (в данном примере это узел 2, как указано выше)


Подключение преобразователя к электрической цепи с помощью функции Клемма .

Ниже показано акустическое давление в центральной точке верхней поверхности преобразователя. Модель рассчитана на 13 акустических циклов для захвата первых 2 эхо, достигающих преобразователя. Эта информация также включается в напряжение на клеммах, принимаемое электрической схемой, как показано на нижнем изображении ниже, где сигналы от первого и второго эхо-сигналов увеличены для лучшей визуализации.


График акустического давления в центральной точке верхней поверхности преобразователя.


График напряжения на клеммах, который может быть измерен электрической цепью.

Использование функции плотности поверхностного заряда

Если у вас нет доступа к функции Terminal , вы можете использовать вместо нее функцию Surface Charge Density . Плотность поверхностного заряда — это граничное условие, которое можно добавить к интерфейсу Electrostatics и применить к поверхности электрода преобразователя.


Использование функции Surface Charge Density для моделирования преобразователя.

В общем, вы можете использовать функцию Terminal или Surface Charge Density для моделирования преобразователя как передатчика, приемника или обоих одновременно. Когда преобразователь используется только в качестве передатчика, и вы не собираетесь использовать его для обнаружения каких-либо входящих обратных сигналов, узел Electric Potential также можно использовать для определения электрического потенциала на поверхности возбуждения.С другой стороны, чтобы смоделировать датчик только как приемник, можно также использовать функцию Floating Potential . Узел Floating Potential используется при моделировании металлического электрода с плавающим потенциалом. Когда заряд установлен на ноль, граница будет вести себя как неподключенный, нейтрально заряженный, хороший проводник в электростатических условиях.

Попробуйте сами

В учебной модели Sonic Well Logging вы можете использовать функцию Terminal с электрической схемой для моделирования передатчика, который также используется в качестве приемника.Два других приемника, используемых в модели, моделируются с использованием функции Floating Potential .

Нажмите кнопку ниже, чтобы получить доступ к документации и MPH-файлу для модели акустического каротажа скважины:

Схема пьезоэлектрического преобразователя, работа и применение пьезоэлектрических преобразователей

Некоторые кристаллы, такие как титанат бария, кварц, литий-танталит и т. Д., Обладают свойством вырабатывать электричество при приложении к ним силы или давления при определенном расположении.Кроме того, они могут работать в обратном направлении, преобразуя электрический сигнал, приложенный к ним, в колебания. Следовательно, они используются в качестве преобразователей во многих приложениях. Они называются пьезоэлектрическими материалами . Следовательно, пьезоэлектрический преобразователь создает напряжение при приложении к ним силы и наоборот. Во-первых, давайте посмотрим на некоторые из применений пьезоэлектрического преобразователя , а затем дадим определение.

Пьезоэлектрический эффект:

1.Анализатор механических напряжений:

Основное применение — анализатор напряжения для колонн в здании, где измеряется пропорциональное напряжение, возникающее при нагрузке на кристалл, и может быть рассчитано соответствующее напряжение.

2. Зажигалки:

Зажигалка газовой горелки и зажигалка также подчиняются одному и тому же правилу пьезоэлектрического эффекта, который создает электрический импульс под действием силы, возникающей при внезапном ударе курка по материалу внутри них.

Пьезоэлектрический эффект определяется как изменение электрической поляризации, которое возникает в определенных материалах при воздействии механических нагрузок.

Обратный пьезоэлектрический эффект:

1. Кварцевые часы:

Внутри наших часов находится кварцевый резонатор, который работает как генератор. Элемент — диоксид кремния. Электрический сигнал, приложенный к кристаллу, заставляет его периодически вибрировать, что, в свою очередь, регулирует шестерни внутри наших часов.

2. Пьезозуммеры:

Зуммеры

широко используются во многих приложениях, таких как индикатор заднего хода автомобиля, компьютеры и т. Д.В этом случае при приложении напряжения определенной величины и частоты к вышеупомянутому кристаллу они имеют тенденцию вибрировать. Вибрация может передаваться в закрытое пространство с небольшим отверстием, которое превращает ее в слышимый звук.

Обратный пьезоэлектрический эффект определяется как деформация или деформация, возникающая в определенных материалах под действием электрического поля.

Пьезоэлектрический преобразователь:

Выше представлен дешевый трехконтактный пьезоэлектрический преобразователь, используемый в пьезо-зуммере 12 В, который воспроизводит звук с помощью схемы ниже.Где черный корпус становится структурой для создания слышимого звука.

Преобразование силы в электричество с помощью пьезоэлектрического преобразователя:

Попробуем поэкспериментировать с пьезоэлектрическим эффектом, преобразовав силу в сигнал малого напряжения с помощью диска пьезопреобразователя. Тогда давайте попробуем сохранить энергию, произведенную силой или давлением.

Пайка клемм:

Припаивание провода к пьезоэлектрическому преобразователю — основная часть их использования.Будьте осторожны, чтобы не перегреть поверхность, так как она тает даже при низкой температуре в течение нескольких секунд. Поэтому попробуйте расплавить свинец в паяльнике и капнуть расплавленный припой на поверхность. Для этой операции будет достаточно клемм положительный и отрицательный, что видно на картинке выше.

Операция:

Пьезоэлектрический преобразователь выдает прерывистый или чередующийся выходной сигнал при приложении к нему многократного постукивающего усилия. Следовательно, он должен быть исправлен, чтобы сделать его пригодным для хранения или использования постоянного тока.Следовательно, для повышения эффективности выпрямления 80% или выше мы собираемся использовать двухполупериодный выпрямитель. Либо мы можем использовать комбинацию из четырех диодов в мостовой конфигурации, либо корпус со встроенным мостовым диодом, например RB156. Вот ссылка на сборку полноволнового выпрямителя с фильтром.

Следовательно, здесь применяется та же концепция, где переменный выходной сигнал пьезоэлектрического преобразователя преобразуется в постоянный ток и сохраняется внутри выходного конденсатора. Накопленная энергия затем рассеивается через светодиод с управляемым выходом.Следовательно, будет видна диссипация накопленной энергии.

Схема пьезоэлектрического преобразователя

:

Ниже приведена принципиальная схема цепи пьезоэлектрического преобразователя , в которой энергия, накопленная в конденсаторе, будет рассеиваться только при замкнутом тактильном переключателе.

Конденсатор, используемый на выходе, можно дополнительно увеличить, чтобы увеличить емкость накопителя, но, однако, количество пьезоэлектрических преобразователей также должно быть увеличено.Значит, здесь 47uF.

В рабочем состоянии:

Как объяснено в моделировании выше, соединения выполняются на макетной плате. Но причина использования двух пьезоэлектрических преобразователей состоит в том, чтобы увеличить количество энергии, производимой за короткий промежуток времени. Сначала мы даем непрерывное постукивание по датчикам.

При достижении необходимого уровня напряжения нажимаем тактильный переключатель, и на мгновение загорается светодиод.

Причина, по которой светодиод мигает, как показано ниже, заключается в том, что используемый конденсатор емкостью 47 мкФ может хранить только то количество энергии, которое необходимо для мигания светодиода в течение нескольких секунд. Количество произведенной и сохраненной энергии может быть увеличено за счет увеличения количества преобразователей и емкости конденсатора. Видео ниже демонстрирует описанный выше процесс поэтапно.

% PDF-1.4 % 1798 0 объект > эндобдж xref 1798 84 0000000016 00000 н. 0000003360 00000 н. 0000003741 00000 н. 0000003778 00000 н. 0000004255 00000 н. 0000004411 00000 н. 0000004566 00000 н. 0000004722 00000 н. 0000004882 00000 н. 0000005037 00000 н. 0000005192 00000 н. 0000005347 00000 п. 0000005521 00000 н. 0000006693 00000 н. 0000007871 00000 п. 0000007910 00000 п. 0000008083 00000 н. 0000008291 00000 н. 0000008494 00000 п. 0000008555 00000 н. 0000009259 00000 н. 0000009939 00000 н. 0000009978 00000 н. 0000010620 00000 п. 0000011800 00000 п. 0000012010 00000 п. 0000021186 00000 п. 0000021360 00000 п. 0000021711 00000 п. 0000022211 00000 п. 0000022705 00000 п. 0000023444 00000 п. 0000024619 00000 п. 0000024827 00000 п. 0000025566 00000 п. 0000026127 00000 п. 0000028821 00000 п. 0000042639 00000 п. 0000056579 00000 п. 0000071667 00000 п. 0000074318 00000 п. 0000074379 00000 п. 0000074558 00000 п. 0000074661 00000 п. 0000074856 00000 п. 0000074964 00000 п. 0000075082 00000 п. 0000075278 00000 п. 0000075386 00000 п. 0000075494 00000 п. 0000075617 00000 п. 0000075769 00000 п. 0000075941 00000 п. 0000076096 00000 п. 0000076277 00000 п. 0000076412 00000 п. 0000076544 00000 п. 0000076717 00000 п. 0000076845 00000 п. 0000076973 00000 п. 0000077121 00000 п. 0000077280 00000 п. 0000077430 00000 п. 0000077562 00000 п. 0000077690 00000 п. 0000077812 00000 п. 0000077939 00000 п. 0000078088 00000 п. 0000078219 00000 п. 0000078326 00000 п. 0000078434 00000 п. 0000078638 00000 п. 0000078778 00000 п. 0000078928 00000 п. 0000079082 00000 п. 0000079221 00000 п. 0000079426 00000 п. 0000079553 00000 п. 0000079682 00000 п. 0000079836 00000 п. 0000079957 00000 н. 0000080100 00000 п. 0000080240 00000 п. 0000001976 00000 н. трейлер ] / Назад 2308307 >> startxref 0 %% EOF 1881 0 объект > поток h ޼ TmLSW> T E-e0jB ځ 1 dsFPGQ1 | L @ X

Увеличение выходной мощности зуммера пьезопреобразователя

Используемые в различных приложениях и отраслях в качестве средства звуковой идентификации или оповещения, зуммеры с пьезопреобразователем могут создавать различные тона и звуки в зависимости от конкретных потребностей приложения.Амплитуда звука, производимого зуммером пьезопреобразователя, зависит как от конкретного выбранного зуммера, так и от сигнала, используемого для его включения. Поскольку для зуммеров преобразователей требуется внешняя схема управления для создания тона или звука, существует несколько методов воздействия на аудиовыход пьезозуммера в зависимости от конструкции схемы внешнего драйвера. Несмотря на то, что на практике она проста, эта статья призвана дать общее представление о принципах работы пьезопреобразователя, а также о преимуществах и ограничениях общих методов проектирования для увеличения выходной мощности преобразователя.

Принцип работы пьезоэлектрического преобразователя

Технический документ

CUI Devices по основам работы зуммера содержит подробный обзор пьезоэлектрических преобразователей, но здесь можно быстро освежить в памяти технологию. Пьезоэлектрическое устройство изготовлено из материала, который физически деформируется при приложении напряжения к устройству, причем величина деформации и результирующий объем шума, вызванный деформацией, связаны с напряжением, приложенным к пьезоматериалу. Как упоминалось ранее, для работы зуммера преобразователя требуется внешний сигнал возбуждения.Индикаторные зуммеры, с другой стороны, требуют для работы только напряжения питания за счет внутреннего генератора. Это может упростить разработку индикаторов, но также ограничивает типы производимых тонов и звуков по сравнению с преобразователем.

Простая схема драйвера

На приведенной ниже принципиальной схеме (рис. 1) показана одна из более простых схем драйвера для зуммера пьезопреобразователя, которая состоит из электронного переключателя, такого как полевой транзистор или биполярный транзистор, и резистора сброса. Поскольку для этой схемы требуется всего несколько недорогих деталей, она может быть популярным выбором для более простых конструкций.Но, несмотря на простоту, эта конструкция имеет свои недостатки в том, что резистор сброса рассеивает мощность, а напряжение, подаваемое на зуммер, ограничивается напряжением питания (+ V). Обратите внимание, что зуммер и цепь будут работать одинаково независимо от того, подключен ли один терминал зуммера к источнику + V (как показано на рисунке 1) или к земле.

Рисунок 1: Схема управления, состоящая из электронного переключателя и резистора сброса. (Источник изображения: устройства CUI)

Схема драйвера с буферами

Инженер может уменьшить потери мощности резистора сброса из предыдущей схемы драйвера, добавив два буферных транзистора (рисунок 2).Эти два буферных транзистора позволяют использовать резистор сброса с более высоким импедансом за счет пониженного напряжения, подаваемого на зуммер примерно на два диодных спада, или примерно 1,2 В. Опять же, аналогично схеме на Рисунке 1, этот зуммер и схема с добавленные буферы будут работать одинаково независимо от того, подключена ли одна клемма зуммера к источнику + V или к земле.

Рисунок 2: Схема управления с двумя добавленными буферами. (Источник изображения: устройства CUI)

Чтобы решить проблему пониженного напряжения, инженер может просто поменять местами буферы BJT, использованные выше.Эта схема также может быть построена с полевыми транзисторами вместо BJT в качестве компонентов буфера. Обе конфигурации буфера показаны на рисунке 3.

Рисунок 3: Положение буферов BJT перевернуто (слева) или буферов FET вместо BJT (справа). (Источник изображения: устройства CUI)

Полумостовые и полумостовые драйверы

Хотя изменения в конфигурациях буферов, упомянутые выше (рисунок 3), являются опцией, они сделают схемы драйверов для буферов более сложными, что может быть нежелательно при проектировании с использованием дискретных компонентов.Эта форма драйвера с двухтактными буферами обычно называется драйвером «полумоста». Зуммер может быть подключен между выходами двух драйверов полумоста, и когда эти два драйвера полумоста работают в противофазе, они известны как драйвер «полного моста». И полумостовые, и полные мостовые драйверы часто используются для привода электродвигателей и доступны в виде недорогих интегральных схем. Полномостовые драйверы также предлагают преимущество подачи вдвое большего напряжения на зуммер по сравнению с базовым драйвером или полумостовым драйвером, что приводит к более громкому звуковому выходу при том же напряжении питания, что и другие решения.

Рисунок 4: Схема драйвера полного моста (Источник изображения: устройства CUI)

Схема резонансного драйвера

Из-за паразитной емкости зуммеров преобразователей у инженеров есть дополнительная опция для управления пьезопреобразователем за счет использования дискретной катушки индуктивности для формирования резонансного контура. Резонансные схемы накапливают и передают энергию поочередно между двумя элементами; при этом двумя элементами в этом приложении являются паразитный конденсатор и катушка индуктивности.На рисунке 5 показана одна из таких реализаций схемы резонансного драйвера для зуммера пьезопреобразователя.

Цепи резонансного драйвера

обладают рядом преимуществ, включая простую конструкцию и потенциал для высокого электрического КПД. Напряжение, развиваемое на пьезозуммере, также может быть намного больше, чем напряжение питания. Однако резонансная схема возбуждения может быть затруднена из-за того, что она зависит от паразитной емкости пьезопреобразователя, которая в процессе производства не всегда хорошо охарактеризована или контролируется.Цепи драйвера резонансного пьезопреобразователя также хорошо работают только на одной определенной частоте, что делает их менее подходящими для приложений, требующих многочастотных тонов. Кроме того, выбранная рабочая частота влияет на катушку индуктивности, которая может быть физически большой и тяжелой по сравнению с другими компонентами схемы. Моделирование работы резонансного контура также может быть трудным, а это означает, что, возможно, потребуется доработка контура в лаборатории, а не на компьютере для проектирования.

Рисунок 5: Пример резонансной схемы драйвера (Источник изображения: устройства CUI)

Заключение

У инженера есть много возможностей при разработке схемы драйвера для зуммера пьезоэлектрического преобразователя.От использования простых дискретных компонентов до более сложных схемных решений, каждый драйвер имеет свой собственный набор компромиссов для достижения желаемого звукового выхода приложения. После того, как ключевые параметры производительности определены, CUI Devices упрощает процесс выбора с помощью ряда пьезо- и магнитных зуммеров, которые легко доступны для удовлетворения требований проекта.

Заявление об ограничении ответственности: мнения, убеждения и точки зрения, выраженные различными авторами и / или участниками форума на этом веб-сайте, не обязательно отражают мнения, убеждения и точки зрения Digi-Key Electronics или официальную политику Digi-Key Electronics.

Как работает пьезоэлектричество | ОРЕЛ

Пьезо что? Кажется, это сложно понять, но это легко понять. Слово пьезоэлектрический происходит от греческого слова piezein, что буквально означает сжимать или давить. Вместо того чтобы сжимать виноград, чтобы сделать вино, мы сжимаем кристаллы, чтобы создать электрический ток! Пьезоэлектричество встречается в тоннах повседневных электронных устройств, от кварцевых часов до динамиков и микрофонов. В двух словах:

Пьезоэлектричество — это процесс использования кристаллов для преобразования механической энергии в электрическую или наоборот.

Обычные кристаллы характеризуются своей организованной и повторяющейся структурой атомов, которые удерживаются вместе связями, это называется элементарной ячейкой. Большинство кристаллов, таких как железо, имеют симметричную элементарную ячейку, что делает их бесполезными для пьезоэлектрических целей.

( Источник изображения )

Есть и другие кристаллы, которые объединяются в пьезоэлектрических материалов . Структура этих кристаллов несимметрична, но они все еще находятся в электрически нейтральном балансе.Однако, если вы приложите механическое давление к пьезоэлектрическому кристаллу, структура деформируется, атомы будут выталкиваться, и внезапно вы получите кристалл, который может проводить электрический ток. Если вы возьмете тот же пьезоэлектрический кристалл и подадите на него электрический ток, кристалл будет расширяться и сжиматься, преобразовывая электрическую энергию в механическую.

( Источник изображения )

Типы пьезоэлектрических материалов

Существует множество пьезоэлектрических материалов, которые могут проводить электрический ток, как искусственный, так и естественный.Самый известный и первый пьезоэлектрический материал, используемый в электронных устройствах, — это кристалл кварца. Другие природные пьезоэлектрические материалы включают тростниковый сахар, соль Рошель, топаз, турмалин и даже кость.

Кристалл кварца. ( Источник изображения )

Поскольку пьезоэлектрические технологии начали развиваться после Первой мировой войны, мы начали разработку искусственных материалов, которые по своим характеристикам не уступали кварцу. К искусственным пьезоэлектрическим материалам относятся:

PZT изготовлен из цирконата-титаната свинца и может производить большее напряжение, чем кварц, при том же механическом давлении.

Пьезокерамика PZT, используемая в ультразвуковых датчиках. ( Источник изображения )

Титанат бария — керамический пьезоэлектрический материал, который был открыт во время Второй мировой войны и известен своей долговечностью.

Титанат бария. ( Источник изображения )

Ниобат лития — это материал, который сочетает в себе кислород, литий и нобий в керамическом материале, который по своим характеристикам аналогичен титанату бария.

Ниобат лития. ( Источник изображения )

Как работает пьезоэлектричество

У нас есть специальные материалы, которые подходят для пьезоэлектричества, но как именно работает этот процесс? С пьезоэлектрическим эффектом. Самая уникальная черта этого эффекта в том, что он работает двумя способами. Вы можете приложить механическую или электрическую энергию к тому же пьезоэлектрическому материалу и получить противоположный результат.

Приложение механической энергии к кристаллу называется прямым пьезоэлектрическим эффектом и работает следующим образом:

  1. Пьезоэлектрический кристалл помещен между двумя металлическими пластинами.На этом этапе материал находится в идеальном балансе и не проводит электрический ток.
  2. Затем к материалу прикладывается механическое давление металлическими пластинами, которое нарушает баланс электрических зарядов внутри кристалла. На противоположных сторонах грани кристалла появляются избыточные отрицательные и положительные заряды.
  3. Металлическая пластина собирает эти заряды, которые можно использовать для создания напряжения и передачи электрического тока через цепь.

( Источник изображения )

Вот и все, простое приложение механического давления, сжатие кристалла и внезапно возникает электрический ток.Вы также можете сделать обратное, подав электрический сигнал на материал в виде обратного пьезоэлектрического эффекта . Это работает так:

  1. В той же ситуации, что и в примере выше, у нас есть пьезоэлектрический кристалл, расположенный между двумя металлическими пластинами. Структура кристалла идеально сбалансирована.
  2. Затем к кристаллу прикладывается электрическая энергия, которая сжимается и расширяет структуру кристалла.
  3. По мере того, как структура кристалла расширяется и сжимается, он преобразует полученную электрическую энергию и высвобождает механическую энергию в виде звуковой волны.

( Источник изображения )

Обратный пьезоэлектрический эффект используется во множестве приложений. Возьмем, к примеру, динамик, который подает напряжение на пьезоэлектрическую керамику, заставляя материал вибрировать в воздухе в виде звуковых волн.

Открытие пьезоэлектричества

Пьезоэлектричество было впервые открыто в 1880 году двумя братьями и французскими учеными, Жаком и Пьером Кюри. Экспериментируя с множеством кристаллов, они обнаружили, что приложение механического давления к определенным кристаллам, таким как кварц, высвобождает электрический заряд.Они назвали это пьезоэлектрическим эффектом.

Пьер Кюри с женой Марией в своей лаборатории. ( Источник изображения )

В следующие 30 лет пьезоэлектричество использовалось в основном для лабораторных экспериментов и дальнейшего совершенствования. Только в Первой мировой войне пьезоэлектричество использовалось для практических применений в гидролокаторах. Сонар работает путем подачи напряжения на пьезоэлектрический передатчик. Это обратный пьезоэлектрический эффект, который преобразует электрическую энергию в механические звуковые волны.

( Источник изображения )

Звуковые волны проходят через воду, пока не ударяются о предмет. Затем они возвращаются к исходному приемнику. Этот приемник использует прямой пьезоэлектрический эффект для преобразования звуковых волн в электрическое напряжение, которое затем может обрабатываться устройством обработки сигнала. Используя время между уходом сигнала и его возвратом, можно легко рассчитать расстояние до объекта под водой.

С успехом сонара пьезоэлектричество привлекло внимание военных.Вторая мировая война продвинула технологию еще дальше, поскольку исследователи из США, России и Японии работали над созданием новых искусственных пьезоэлектрических материалов, называемых сегнетоэлектриками. Это исследование привело к созданию двух искусственных материалов, которые используются наряду с кристаллами природного кварца, титанатом бария и титанатом цирконата свинца.

Пьезоэлектричество сегодня

В современном мире электроники пьезоэлектричество используется повсеместно. Когда вы спрашиваете Google, как пройти к новому ресторану, в микрофоне используется пьезоэлектричество.В Токио есть даже метро, ​​которое использует силу человеческих шагов для питания пьезоэлектрических структур в земле. Пьезоэлектричество используется в следующих электронных приложениях:

Приводы

Приводы

используют пьезоэлектричество для питания таких устройств, как вязальные машины и машины Брайля, видеокамеры и смартфоны. В этой системе металлическая пластина и исполнительное устройство скрепляют вместе пьезоэлектрический материал. Затем к пьезоэлектрическому материалу прикладывается напряжение, которое расширяется и сжимается.Это движение также заставляет привод двигаться.

( Источник изображения )

Динамики и зуммеры

В динамиках

пьезоэлектричество используется для питания таких устройств, как будильники и других небольших механических устройств, для которых требуется высокое качество звука. Эти системы используют обратный пьезоэлектрический эффект путем преобразования звукового сигнала напряжения в механическую энергию в виде звуковых волн.

( Источник изображения )

Драйверы

Драйверы

преобразуют низковольтную батарею в более высокое напряжение, которое затем можно использовать для управления пьезоустройством.Этот процесс усиления начинается с генератора, который выдает синусоидальные волны меньшего размера. Эти синусоидальные волны затем усиливаются пьезоусилителем.

( Источник изображения )

Датчики

Датчики

используются в различных приложениях, таких как микрофоны, гитары с усилителями и медицинское оборудование для обработки изображений. В этих устройствах используется пьезоэлектрический микрофон для обнаружения изменений давления в звуковых волнах, которые затем могут быть преобразованы в электрический сигнал для обработки.

( Источник изображения )

Мощность

Одно из самых простых применений пьезоэлектричества — это прикуриватель для сигарет. Нажатие кнопки зажигалки выпускает подпружиненный молоток в пьезоэлектрический кристалл. Это создает электрический ток, который проходит через искровой промежуток, нагревая и воспламеняя газ. Эта же пьезоэлектрическая система питания используется в более крупных газовых горелках и плитах духовок.

( Источник изображения )

Двигатели

Пьезоэлектрические кристаллы идеально подходят для приложений, требующих высокой точности, таких как движение двигателя.В этих устройствах пьезоэлектрический материал получает электрический сигнал, который затем преобразуется в механическую энергию, чтобы заставить керамическую пластину двигаться.

( Источник изображения )

Пьезоэлектричество и будущее

Что ждет пьезоэлектричество в будущем? Возможностей предостаточно. Одна популярная идея, которую выдвигают изобретатели, — это использование пьезоэлектричества для сбора энергии. Представьте себе, что в вашем смартфоне есть пьезоэлектрические устройства, которые можно активировать простым движением вашего тела, чтобы они оставались заряженными.

Если подумать немного шире, вы также можете встроить пьезоэлектрическую систему под тротуарную дорогу, которая может приводиться в действие колесами проезжающих автомобилей. Эта энергия затем может быть использована для светофоров и других близлежащих устройств. Добавьте к этому дорогу, заполненную электромобилями, и вы окажетесь в чистой положительной энергетической ситуации.

Хотите помочь продвинуть пьезоэлектричество в будущее? Autodesk EAGLE предлагает массу бесплатных пьезобиблиотек, готовых к использованию в вашем следующем проекте.Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня!

Как увеличить аудиовыход зуммера пьезоэлектрического преобразователя

Как добиться максимального уровня звука зуммера пьезопреобразователя?

В большинстве случаев причиной использования зуммера пьезоэлектрического преобразователя является создание громкого звука, где амплитуда звука, производимого зуммером, зависит как от конкретного выбранного зуммера, так и от сигнала, используемого для его включения. Есть несколько способов повлиять на аудиовыход пьезозуммера в зависимости от конструкции схемы драйвера.В этом блоге описаны принципы работы пьезопреобразователей, общие методы проектирования для увеличения аудиовыхода, а также преимущества и ограничения каждого из них.

Основные сведения о звуковом сигнале пьезоэлектрического преобразователя

Основы зуммера с пьезоэлектрическим преобразователем более подробно описаны в сообщении блога «Основы зуммера» CUI Devices. Однако, как быстрое напоминание, пьезоэлектрическое устройство построено из материала, который физически деформируется при приложении напряжения к устройству.Величина деформации и результирующий объем шума, вызванный деформацией, связаны с напряжением, приложенным к пьезоматериалу. Также важно отметить, что зуммеру преобразователя требуется внешний сигнал возбуждения, тогда как зуммеру индикатора, который содержит внутренний генератор, требуется только напряжение питания для работы.

Базовая схема привода пьезопреобразователя

Одна из самых основных схем управления пьезопреобразователем состоит из электронного переключателя, такого как полевой транзистор или биполярный транзистор, и резистора сброса, как показано на схеме ниже.Основное преимущество этой схемы в том, что для нее требуется всего несколько недорогих деталей. Однако этому может препятствовать тот факт, что напряжение, подаваемое на зуммер, ограничено напряжением питания (+ V), а резистор сброса рассеивает мощность. Следует отметить, что зуммер и цепь ведут себя одинаково независимо от того, подключен ли один терминал зуммера к источнику + V (как показано на схеме) или к земле.

Базовая схема управления пьезопреобразователем

Добавление буферов в базовую схему управления пьезопреобразователем

Добавление двух буферных транзисторов, как показано на схеме ниже, может уменьшить потери мощности, присутствующие в базовой схеме драйвера, подробно описанной ранее, за счет использования резистора сброса с более высоким импедансом.Недостатком этой схемы является то, что добавление двух буферных транзисторов снижает напряжение, подаваемое на зуммер, примерно на два диодных падения, или примерно на 1,2 Вольт. Как и в базовой схеме драйвера, зуммер и цепь ведут себя одинаково независимо от того, подключен ли один терминал зуммера к источнику + V или к земле.

Базовая схема драйвера с двумя буферными транзисторами

Проблема пониженного напряжения, подаваемого на зуммер, может быть решена путем изменения положения буферов BJT в начальном буферизованном драйвере.Эта схема также может быть построена с полевыми транзисторами вместо BJT в качестве компонентов буфера. Обе конфигурации буфера описаны ниже.

Изменение положения буферов BJT на противоположное или использование полевых транзисторов в качестве буферов

Полумостовые и полномостовые схемы привода

Изменения в конфигурации буфера, упомянутые в предыдущем разделе, потребуют более сложной схемы управления буферами, что может быть нежелательно при реализации решения с дискретными компонентами. Эта форма драйвера с двухтактными буферами обычно называется драйвером «полумоста».Два драйвера полумоста, управляемые в противофазе, известны как драйвер «полного моста» и могут использоваться с зуммером, подключенным между выходами двух драйверов полумоста. Преимущество использования полномостового драйвера заключается в том, что напряжение, подаваемое на зуммер, в два раза больше напряжения по сравнению с базовым драйвером или полумостовым драйвером. Это повышенное напряжение возбуждения приводит к более громкому выходному звуку зуммера при том же напряжении питания. Многие версии как полумостовых, так и полномостовых драйверов доступны в виде недорогих интегральных схем и часто используются для привода электродвигателей.

Полномостовой драйвер с нагрузкой пьезозуммера

Цепь возбуждения резонансного пьезопреобразователя

Еще одним вариантом управления пьезопреобразователем является создание цепи, которая использует паразитную емкость, присутствующую в зуммер преобразователя, и дискретную катушку индуктивности, чтобы сформировать резонансный контур. Одной из характеристик резонансного контура является то, что энергия поочередно накапливается и передается между двумя элементами. В этом приложении двумя элементами, которые хранят и передают энергию, являются индуктор и паразитный конденсатор.Схема, изображенная ниже, представляет собой одну из возможных реализаций схемы возбуждения резонансного пьезопреобразователя. Некоторые преимущества резонансной схемы возбуждения заключаются в том, что она проста в конструкции, может иметь высокий электрический КПД, а напряжение, развиваемое на пьезозуммеру, может быть во много раз больше, чем напряжение питания. Однако работа схемы зависит от паразитной емкости пьезопреобразователя, которую нельзя точно определить или контролировать в процессе производства.В зависимости от желаемой рабочей частоты индуктор может быть физически большим и тяжелым по сравнению с другими компонентами схемы. Также может быть сложно смоделировать работу резонансного контура, и поэтому может потребоваться доработка контура в лаборатории, а не на расчетном компьютере. Дополнительным ограничением является то, что схема возбуждения резонансного пьезопреобразователя хорошо работает только на одной определенной частоте, что делает ее менее подходящей для приложений, где требуются несколько частотных тонов.

Более подробное обсуждение и анализ схемы резонансного драйвера можно найти в этой статье EDN. Следует понимать, что схема в указанной статье предназначена для работы на частоте 40 кГц. Следовательно, вам нужно будет масштабировать значения компонентов для работы на звуковой частоте около 4 кГц.

Схема возбуждения резонансного пьезопреобразователя

Резюме

У разработчика есть выбор и компромиссы при выборе и конструкции драйвера для зуммера пьезоэлектрического преобразователя.Многие компромиссы связаны с затратами на проектирование и изготовление схемы привода. Однако, как только напряжение источника питания определено, драйвер преобразователя может быть ограничен в возможности увеличения громкости звука на выходе. Если выходная громкость звука оказывается проблемой, соответствующая громкость звука может быть достигнута путем включения соответствующей схемы привода в сочетании с зуммером с оптимальным номинальным напряжением, размером и стилем установки. Разнообразное предложение зуммеров CUI Devices упрощает этот процесс выбора благодаря большому диапазону конфигураций, соответствующих конкретным требованиям вашего приложения.

Дополнительные ресурсы

У вас есть комментарии к этому сообщению или темам, которые вы хотели бы, чтобы мы освещали в будущем?
Отправьте нам письмо по адресу [email protected]

Новый ультразвуковой метод на основе пьезоэлектрических диафрагм, применяемый для контроля удаления материала в процессе шлифования

В этом разделе будут представлены результаты и обсуждение оценки заготовки и цифровой обработки сигналов, в которых основное внимание уделяется корреляции удаления материала. процесса шлифования со статистикой, применяемой к ультразвуковым сигналам.

6.2. Обработка сигналов и выбор частотных диапазонов

Излучаемые и принятые сигналы, используемые для оценки деталей, показаны на. На рисунках a и b видно, что излучаемые и принятые сигналы имеют пять пакетов (№1, №2, №3, №4, №5) соответственно. Амплитуда каждого излучаемого пакета уменьшается с увеличением частоты; такое поведение можно объяснить расположением импеданса между DAQ (эмиттером ЛЧМ-сигнала) и эмиттером PZT. Емкостные элементы PZT вызывали снижение напряжения на более высоких частотах, как наблюдали Campeiro et al.[68]. Что касается полученных пакетов в b, наблюдается, что некоторые частоты распространяются с большей эффективностью; такое поведение оправдано характеристиками материала, которые играют очень важную роль в распространении волн. Стоит отметить, что пакеты излучения начинались с амплитуды 10 В и заканчивались амплитудами 3 В, тогда как полученные пакеты начинались с амплитуды 200 мВ, имея в некоторых случаях амплитуды 50 мВ. Это значительное затухание происходит из-за потерь энергии через внутренние характеристики PZT, среду держателя заготовки, интерфейсы (PZT / держатель; заготовка / держатель), соединительную среду, среду заготовки, усилитель и кабели.Однако, несмотря на большие потери энергии ультразвукового сигнала для установки, использованной в этой работе, результаты позже покажут, что принятый сигнал сохранил исследуемые характеристики процесса. Процедура для отправленных и полученных пакетов, показанная в, повторялась для каждого прохода шлифования на каждой выбранной глубине резания.

( a ) пакеты излучаемых сигналов и ( b ) пакеты принятых сигналов.

Статистика, использованная при анализе полученных пакетов, представлена ​​в.Стоит отметить, что для того, чтобы показать статистику вместе, необходимо было нормализовать значения. Однако такие анализы, как среднее и стандартные отклонения, проводились с необработанными нефильтрованными сигналами без процедуры нормализации. Анализ проводился для каждого пакета с учетом средних значений этих статистических данных (RMS и Counts). Затем были рассчитаны общее среднее значение и стандартное отклонение для всех упаковок.

Статистика, используемая для анализа полученных пакетов — среднеквадратичное значение (RMS) и количество.

Среднеквадратичное значение и стандартное отклонение (нефильтрованные сигналы) для каждого прохода шлифования на каждой глубине резания показаны в. На рисунке a можно увидеть, что результат среднего RMS без удаления материала показал большую амплитуду по сравнению с результатами шлифовальных проходов 1 и 2. Такое нелинейное поведение препятствует реализации этой системы при диагностике удаления материала. в процессе шлифования. По отношению к b, c наблюдается тенденция к росту по мере прохождения шлифовальных проходов; однако разница среднеквадратичных значений между 2-м и 3-м проходами шлифования для глубины резания 20 мкм очень мала, что затрудняет идентификацию прохода шлифования и, таким образом, непривлекательно для практической реализации.Таким же образом, этот анализ может быть применен к средним среднеквадратичным значениям 1-го и 2-го проходов шлифования для глубины резания 30 мкм, в которой есть небольшая разница, что затрудняет идентификацию этих проходов шлифования. Следует отметить, что стандартные отклонения по сравнению со средними значениями RMS были очень небольшими, около 1%, для всех наблюдаемых условий. Такое поведение характеризует согласованность и повторяемость сигналов излучения и приема, используемых в предлагаемой методике.

Среднеквадратичное значение и стандартное отклонение необработанных нефильтрованных сигналов при ( a ) 10 мкм, ( b ) 20 мкм и ( c ) 30 мкм.

Средние значения отсчетов и стандартные отклонения (нефильтрованные сигналы) для каждого прохода шлифования на каждой глубине резания показаны в. Как и в поведении, показанном RMS-результатами, применение статистики Counts не было эффективным для определения линейной структуры роста между проходами шлифования. Глубина надрезов 20 мкм (b) и 30 мкм (c) показала нелинейное поведение.На рисунке b видно, что среднее значение счета неповрежденной заготовки выше, чем среднее значение счета для 1-го и 2-го проходов шлифования. Что касается c, то среднее значение Counts для заготовки без повреждений имело очень близкий результат по отношению к 1-му и 2-му проходу шлифования, однако оно было выше, чем среднее значение Counts 3-го прохода шлифования. Наконец, что касается a с глубиной резания 10 мкм, наблюдалась возрастающая картина, однако разница между 1-м и 2-м проходами шлифования была небольшой, подобно поведению, показанному средними значениями RMS на глубине резания 20 мкм. (б) и 30 мкм (в).Стандартные отклонения по сравнению со средними значениями были очень небольшими, около 1%, аналогичными значениям, найденным в результатах RMS, показанных в. Опять же, поведение представленных результатов подчеркивает последовательность и повторяемость техники, использованной в этой работе. Обе статистические данные (среднеквадратичное значение и количество) не показали регулярной тенденции в диагностике удаления материала, поэтому был проведен спектральный анализ полученных сигналов для каждого прохода шлифования, чтобы найти полосы частот, которые в большей степени связаны с условиями процесса. .

Подсчитывает средние значения и значения стандартного отклонения необработанных нефильтрованных сигналов при ( a ) 10 мкм, ( b ) 20 мкм и ( c ) 30 мкм.

Средние спектры для двух состояний заготовки без снятия материала и после 3-го прохода шлифования на каждой глубине резания показаны на рис. Можно видеть, что спектры в целом показали аналогичное поведение с более высокой спектральной активностью между 150 и 190 кГц.

Спектр двух состояний детали при ( a ) 10 мкм, ( b ) 20 мкм и ( c ) 30 мкм.

Кроме того, видно, что спектр 3-го прохода шлифования на трех глубинах резания, 10 мкм (a), 20 мкм (b) и 30 мкм (c), представлял наибольшие амплитуды по большей части спектра. по сравнению с заготовкой без снятия материала. С помощью критерия выбора полосы частот, представленного в разделе 5.2, была выбрана полоса частот от 37 до 46 кГц, которая затем была отфильтрована в полученные пакеты с глубиной разреза 10 мкм, как показано на увеличении a.Для глубины реза 20 мкм была выбрана полоса частот от 135 до 144 кГц, как показано на b. Что касается глубины реза 30 мкм, была выбрана полоса частот от 186 до 192 кГц. Увеличение частотных диапазонов для обеих глубин разрезов (20 и 30 мкм) показано на b, c, соответственно. Средние значения RMS и стандартные отклонения отфильтрованных сигналов для каждого прохода шлифования на каждой глубине резания показаны в. В отличие от результатов, наблюдаемых в, отфильтрованные среднеквадратичные значения показали тенденцию к равномерному увеличению.Увеличение значений RMS было выявлено в соответствии с проходами шлифования. Увеличение значений RMS было связано с поведением амплитуды сигналов в выбранных полосах частот. После применения цифровых фильтров в выбранных частотных диапазонах и последующего вычисления статистики RMS наблюдалась тенденция к увеличению на всех глубинах резания (a – c). Такое поведение можно объяснить амплитудами сигналов в выбранных полосах, то есть изменения в заготовке (удаление материала) представляли более высокие уровни амплитуды [26].Следует отметить, что образец менялся после каждого прохода шлифования, и, как следствие, распространяющиеся волны также демонстрировали изменения, которые проявляются в выбранных частотных диапазонах. Таким образом, события, возникающие во время процесса шлифования, которые указывали на изменения в структуре заготовки, такие как потеря материала, выгорание, высокая шероховатость и трещины, были зафиксированы в выбранных частотных диапазонах, что позволило лучше диагностировать процесс. Наконец, стоит упомянуть, что значения стандартного отклонения оставались небольшими, что снова свидетельствует о согласованности и повторяемости метода.Таким образом, правильный выбор частотных диапазонов очень важен для применения этого метода.

среднеквадратичное значение и стандартное отклонение необработанных отфильтрованных сигналов при ( a ) 10 мкм; ( b ) 20 мкм и ( c ) 30 мкм.

Счетчики и значения стандартного отклонения отфильтрованных сигналов для каждого прохода шлифования на каждой глубине резания показаны в. Как и в случае с отфильтрованными среднеквадратичными значениями, показанными на, средние значения Counts для тех же сигналов показали тенденцию к увеличению во всех наблюдаемых условиях.Однако стоит отметить, что глубина резания 10 мкм показала лучший результат для этой статистики, тогда как при глубинах резания 20 и 30 мкм Counts показал небольшое улучшение по сравнению с оптимальным результатом, полученным в приложении RMS. из . Таким образом, статистику Counts и RMS можно использовать вместе с приоритетом для RMS из-за оптимальных результатов; Статистику Counts можно использовать с целью проверки результатов RMS и усиления системы диагностики повреждений в процессе шлифования.

Подсчеты и значения стандартного отклонения необработанных отфильтрованных сигналов при ( a ) 10 мкм; ( b ) 20 мкм и ( c ) 30 мкм.

Процентная разница между средними значениями RMS и Counts для нефильтрованных и отфильтрованных пакетов для двух состояний заготовки, без удаления материала и после 3-го прохода шлифования, на каждой глубине резания показаны в. Как можно видеть, самый высокий процент отклонения составляет около 38% для отфильтрованного сигнала и глубины резания 10 мкм.Точно так же процент разницы для средних значений Counts, показанный на b, представляет наибольшую разницу при той же глубине резания, около 22%. Наконец, различия в наблюдаемых условиях выше в результатах среднего RMS, что означает, что статистика RMS более адекватна для применения этого метода из-за лучших результатов.

Разница в процентах между нефильтрованными и отфильтрованными сигналами заготовки без удаляемого материала и после 3-го прохода шлифования — ( a ) RMS и ( b ) Значения счета.

Как показано Webster et al. [51], интервал в 1 мс лучше всего подходит для расчета среднеквадратичного значения при мониторинге процессов измельчения. Тот же интервал, соответствующий 4096 точкам, был применен в статистике Counts. Таким образом, возможно, что этот интервал не является наиболее подходящим для этой статистики, что объясняет лучший результат статистики RMS по сравнению с Counts. Кроме того, выбор наиболее подходящей полосы частот имеет решающее значение для получения статистики.Следовательно, можно изучить другие интервалы и полосы частот, чтобы оптимизировать статистику отсчетов.

Корреляции между средними значениями статистики (RMS и Counts) и объемом удаленного материала показаны в. Корреляционный анализ выполняется с помощью коэффициента детерминации ( R ), где R = 1 представляет линейную подгонку 100%, а R = 0 представляет собой полное отсутствие корреляции между значениями [21]. Можно заметить, что для RMS-статистики (a) значения R были близки к 1.Что касается статистики подсчетов (b), коэффициент детерминации показал высокую степень корреляции; однако коэффициент был ниже, чем коэффициент, найденный для статистики RMS. При глубине резания 10 мкм статистика RMS представила R , равное 0,9883, и статистику Counts, равную R , равную 0,98794. Таким образом, RMS был немного лучше, чем Counts при оценке объема удаленного материала. При глубине резов 20 и 30 мкм наблюдалась более высокая чувствительность статистики RMS по сравнению со статистикой Counts.

Корреляция между статистикой и объемом удаленного материала ( a ) RMS и ( b ) Counts.

При 20 мкм RMS имел R = 0,99517, в то время как Counts имел R = 0,94788. Наконец, при 30 мкм наибольшая разница наблюдалась, где RMS представило R = 0,99469, а Counts представило R = 0,93441. Таким образом, при применении этого метода статистика RMS имеет лучшую производительность, чем статистика Counts, однако высокая степень корреляции показывает, что обе статистики могут использоваться для косвенного определения объема удаленного материала.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *