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Q&A:ピエゾフィルム オシロスコープ

特徴
Q 1.

PVDF膜に加圧しオシロスコープで電圧を読みとった後、加圧した圧力をオシロの出力電圧から求めるには圧電出力定数を用いるとお聞きしましたが、例えば出力電圧が1[V]だった場合、PVDF膜に加えられた圧力は

圧電出力定数 216×10^-3[Vm/N] から

圧力[Pa] = 出力電圧[V]÷(圧電出力定数[Vm/N]×PVDF膜厚[m])

ここで膜圧を28[μm]で考えると加えられた圧力は計算すると約165[kPa]となるのですが、

出力電圧から加圧圧力を求める場合このように求めればよいのでしょうか?

 
使い方
Q 1.

オシロスコープはバンド幅10Mz、入力レンジ1mv〜20vのもので使えますか?

汎用アンプは必要ですか?

Q 2.

超音波トランスデューサNDT1-220Kを使用するにあたり、オシロスコープでの計測を考えており、

超低雑音増幅器等の購入を進めておりますが、トランデューサ出力は電圧出力と考えてよろしいでしょうか。

また、トランデューサに接続する増幅器の入力インピーダンスは1MΩと50Ω、

どちらを使用するのが好ましいでしょうか。

 

特徴

 
1.PVDF膜に加圧しオシロスコープで電圧を読みとった後、加圧した圧力をオシロの出力電圧から求めるには圧電出力定数を用いるとお聞きしましたが、例えば出力電圧が1[V]だった場合、PVDF膜に加えられた圧力は圧電出力定数 216×10^-3[Vm/N] から圧力[Pa] = 出力電圧[V]÷(圧電出力定数[Vm/N]×PVDF膜厚[m])ここで膜圧を28[μm]で考えると加えられた圧力は計算すると約165[kPa]となるのですが、出力電圧から加圧圧力を求める場合このように求めればよいのでしょうか?
A  

1)出力電圧と応力の関係(1方向=長さ方向)はその通りです。

  3方向(=厚さ方向)の場合、圧電出力定数はg31の代わりにg33を用います。

  g33 = 330 x 10^-3 [Vm/N] 

 

2)耐電圧はPVDFに電圧を定常的に印加した場合、破壊に至る限界電圧を示すものです。

  (センサーでなく、アクチュエータとして用いるときはPVDFに電圧を印加します)

  ですので、加圧限界を示すものではありません。

  最大動作電圧についても同様で、PVDFが正常に動作する最大電圧を示します。

 

  

使い方

 
1. オシロスコープはバンド幅10Mz、入力レンジ1mv〜20vのもので使えますか?汎用アンプは必要ですか?
A  

入力インピーダンスが1MΩであれば(おそらくそうだと思いますが)、
アンプを用いなくてもそのオシロで測定は可能だと思います。

 
 
2. 超音波トランスデューサNDT1-220Kを使用するにあたり、オシロスコープでの計測を考えており、超低雑音増幅器等の購入を進めておりますが、トランデューサ出力は電圧出力と考えてよろしいでしょうか。また、トランデューサに接続する増幅器の入力インピーダンスは1MΩと50Ω、どちらを使用するのが好ましいでしょうか。
A  

お問い合わせいただきました件ですが、選択されているフィルム製品では、

数十kHzの超音波を厚み振動で受ける場合には、厚みが薄過ぎるので出力が小さくなります。

厚み振動で受けられるのであれば、なるべく厚みの厚い方でご使用いただく方が良いと思います。

もしくは、超音波で振動するものに貼り付けて、その歪をフィルムへ伝えて検出する様な用途が良いと思われます。

ピエゾ効果は、素材に歪を加える事によって電荷が発生する現象です。

電荷がフィルム容量に貯まる事で電圧として観測できますが、 実際の測定では、接続ケーブル等の容量が付加されてしまうため、

全体の容量も合わせて平滑されてしますので出力電圧は減少します。

繰り返し測定をおこなうのであれば、同じケーブル等を使用しないと出力結果が変わってしまいます。

フィルム出力をそのまま電圧出力として観測するのであれば、 測定器の入力インピーダンスが大きい物を使用してください。

但し、フィルムの信号側電極面は、外来ノイズを引き込むアンテナともなりますので、

入力インピーダンスが大きい場合は、飛び込みノイズも大きくなります。

ケーブル等の容量に依存しないピエゾフィルムに理想的なプリアンプは、チャージアンプになります。

仮想的にアンプの入力インピーダンスがゼロとなり、発生電荷を引き込んで 内部のコンデンサへチャージして電圧出力へ変換します。

そのため、ケーブル等の容量の影響を受けず、 チャージアンプの内部容量を小さくすれば、出力電圧を大きくする事も可能となります。

また、チャージアンプを使用した場合は、飛び込みノイズはノイズ源とフィルム電極面との結合容量により電流変換されます。

結合容量は小さいので、ノイズレベルは抵抗入力に比較して小さくなります。

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