ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ МАСОВОГО НАВАНТАЖЕННЯ НА ЧУТЛИВІСТЬ П’ЄЗОЕЛЕКТРИЧНОГО СЕНСОРА

Анотація

У роботі представлено експериментальне дослідження впливу масового навантаження на чутливість п’єзоелектричного сенсора під час реєстрації механічних вібрацій. П’єзоелектричні датчики широко застосовуються у системах вимірювання коливань, контролю стану обладнання, системах безпеки та моніторингу конструкцій завдяки здатності перетворювати механічну енергію деформації у електричний сигнал. Одним із важливих факторів, що визначає точність і стабільність роботи таких сенсорів, є додаткове масове навантаження, яке змінює динамічні характеристики системи та впливає на її резонансні властивості.

У дослідженні розроблено експериментальну установку, що включає п’єзоелектричний сенсор типу PZT-5A, підсилювач сигналу, аналоговий компаратор та мікроконтролер ESP32, який забезпечує цифрову обробку та реєстрацію сигналів. Для створення контрольованого навантаження була спроєктована спеціальна платформа, виготовлена методом 3D-друку з полімеру PETG, що забезпечує рівномірний розподіл маси та стабільну передачу механічних коливань до сенсора.

Експериментальні дослідження проводилися шляхом поступового збільшення маси навантаження в діапазоні від 0 до 150 г. У процесі експериментів аналізувалися зміни амплітуди вихідного сигналу та частоти спрацьовування сенсора під дією зовнішніх механічних збурень. Отримані результати показали, що за відсутності додаткового навантаження сенсор практично не реєструє слабкі механічні впливи. При збільшенні маси до 10 г спостерігається поява окремих імпульсів сигналу, що свідчить про початок фіксації вібрацій. Подальше підвищення маси до 80 г призводить до зростання амплітуди сигналу та підвищення чутливості системи, що пояснюється збільшенням інерційного ефекту платформи. Найбільш стабільна та інтенсивна реакція сенсора зафіксована при масі 150 г, коли система переходить у режим посиленого коливального відгуку.

Отримані результати підтверджують, що масове навантаження суттєво впливає на чутливість п’єзоелектричних сенсорів, змінюючи їхню власну частоту та умови виникнення механічного резонансу. Практичне значення дослідження полягає у можливості регулювання характеристик датчика шляхом підбору оптимальної маси платформи для конкретних задач. Запропонований підхід може бути використаний під час розроблення систем моніторингу вібрацій і сейсмічної активності, інтелектуальних конструкцій для виявлення механічних пошкоджень, а також у пристроях збору енергії механічних коливань.