المحول الكهروضوئي: التطبيقات ومبدأ العمل
ما هو محول الكهروضغط
محول الكهروضغط (المعروف أيضًا باسم مستشعر الكهروضغط) هو جهاز يستخدم تأثير الكهروضغط لقياس التغيرات في التسارع، الضغط، الشد، الحرارة أو القوة من خلال تحويل هذه الطاقة إلى شحنة كهربائية.
يمكن أن يكون المحول أي شيء يقوم بتحويل شكل من أشكال الطاقة إلى آخر. المادة الكهروضغطية هي نوع من المحولات. عندما نضغط على هذه المادة الكهروضغطية أو نطبق عليها أي قوة أو ضغط، يحول المحول هذه الطاقة إلى فولت. هذا الفولت هو دالة للقوة أو الضغط المطبق عليه.
يمكن قياس الجهد الكهربائي الناتج عن محول الكهروضغط بسهولة بواسطة أدوات قياس الجهد. بما أن هذا الجهد سيكون دالة للقوة أو الضغط المطبق عليه، يمكننا استنتاج ما كانت عليه القوة/الضغط من خلال قراءة الجهد. بهذه الطريقة، يمكن قياس الكميات الفيزيائية مثل الإجهاد الميكانيكي أو القوة مباشرة باستخدام محول الكهروضغط.
محرك الكهروضغط
يعمل محرك الكهروضغط بطريقة عكسية لمستشعر الكهروضغط. إنه الجهاز الذي يؤدي فيه التأثير الكهربائي إلى تشوه المادة أي تمديد أو انحناء.
بمعنى آخر، في مستشعر الكهروضغط، عندما يتم تطبيق قوة لتمديده أو انحنائه، يتم إنشاء فرق كهربائي، وفي العكس، عندما يتم تطبيق فرق كهربائي على محرك الكهروضغط، فإنه يتم تشوهه أي تمديده أو انحنائه.
يتكون محول الكهروضغط من بلورة الكوارتز التي تتكون من السيليكون والأكسجين مرتبة في بنية بلورية (SiO2). بشكل عام، تكون الخلية الوحدة (الوحدة الأساسية المتكررة) لكل البلورات متناظرة، ولكن في بلورة الكوارتز الكهروضغطية، ليست كذلك. البلورات الكهروضغطية محايدة كهربائياً.
قد لا تكون الذرات داخلها موزعة بشكل متناظر، ولكن توازن الشحنات الكهربائية فيها يعني أن الشحنات الموجبة تلغي الشحنات السالبة. تتميز بلورة الكوارتز بخاصية إنتاج القطبية الكهربائية عند تطبيق الإجهاد الميكانيكي عليها على طول مستوى معين. هناك نوعان من الإجهادات. أحدهما هو الإجهاد الضاغط والآخر هو الإجهاد الشد.
عندما يكون الكوارتز غير مضغوط، لا تحدث أي شحنات. في حالة الإجهاد الضاغط، يتم إحداث شحنات موجبة على جانب واحد وشحنات سالبة على الجانب الآخر. يتقلص حجم البلورة ويصبح أطول بسبب الإجهاد الضاغط. في حالة الإجهاد الشد، يتم إحداث الشحنات بالعكس مقارنة بالإجهاد الضاغط وتقصير البلورة وتضخمها.
يعتمد محول الكهروضغط على مبدأ تأثير الكهروضغط. الكلمة الكهروضغط مشتقة من الكلمة اليونانية piezen، والتي تعني الضغط أو الضغط. يشير تأثير الكهروضغط إلى أنه عند تطبيق الإجهاد الميكانيكي أو القوى على بلورة الكوارتز، يتم إنتاج شحنات كهربائية على سطح بلورة الكوارتز. اكتشف تأثير الكهروضغط بيير وجاك كوري. سيكون معدل الشحنات المنتجة متناسبًا مع معدل التغيير في الإجهاد الميكانيكي المطبق عليه. كلما كان الإجهاد أعلى، كان الجهد أعلى.
من الخصائص الفريدة لتأثير الكهروضغط أنه قابل للعكس، مما يعني أنه عند تطبيق الجهد الكهربائي عليها، يميلون لتغيير الأبعاد على طول مستوى معين. إذا تم وضع بنية الكوارتز في مجال كهربائي، سيتم تشوه الكوارتز بمقدار متناسب مع قوة المجال الكهربائي. إذا تم وضع نفس البنية في مجال كهربائي مع عكس اتجاه المجال، سيكون التشوه معاكساً.
يصبح الكوارتز أطول بسبب المجال الكهربائي المطبق
يصبح الكوارتز أقصر بسبب المجال الكهربائي المطبق في الاتجاه المعاكس. إنه محول ذاتي التوليد. لا يحتاج إلى مصدر جهد كهربائي خارجي للعمل. الجهد الكهربائي المنتج بواسطة محول الكهروضغط يتغير بشكل خطي مع الإجهاد أو القوة المطبقة.
يتميز محول الكهروضغط بحساسية عالية. لذلك، يعمل كمستشعر ويستخدم في الأجهزة المسرع بسبب استجابته الممتازة للتردد. يستخدم تأثير الكهروضغط في العديد من التطبيقات التي تنطوي على إنتاج وكشف الصوت، وإنتاج التردد الإلكتروني. يعمل كمصدر لإشعال السجائر ويستخدم في الصوتار، والميكروفونات، وقياس القوة والضغط والازاحة.
تطبيقات المواد الكهروضغطية
يمكن استخدام محولات الكهروضغط في مجموعة متنوعة من التطبيقات باستخدام المواد الكهروضغطية، بما في ذلك:
في الميكروفونات، يتم تحويل ضغط الصوت إلى إشارة كهربائية وهذه الإشارة يتم تضخيمها في النهاية لإنتاج صوت أقوى.
تقوم أحزمة الأمان في السيارات بالقفل استجابة للتوقف السريع باستخدام مادة كهروضغطية.
يتم استخدامه أيضًا في التشخيص الطبي.
يستخدم في المراجل الكهربائية. الضغط المسلط على المستشعر الكهروضغط يخلق إشارة كهربائية تؤدي في النهاية إلى إشعال اللهب.
يتم استخدامه لدراسة الموجات الصدمية عالية السرعة وموجات الانفجار.
يستخدم في علاج العقم.
يستخدم في الطابعات النفث.
يتم استخدامه في المطاعم أو المطارات حيث عندما يقترب شخص من الباب، يفتح الباب تلقائيًا. في هذا، يتم استخدام المفهوم أنه عندما يكون الشخص قريبًا من الباب، يتم ممارسة الضغط على المستشعر بسبب وزن الشخص، مما يؤدي إلى إنتاج التأثير الكهربائي ويفتح الباب تلقائيًا.
أمثلة على المواد الكهروضغطية
المواد هي:
تيتانات الباريوم.
تيتانات الزركونيوم الرصاص (PZT).
ملح روشيل.
محول الكهروضغط فوق الصوتي
إنه ينتج ترددات تتجاوز بكثير تلك التي يمكن سماعها بواسطة الأذن البشرية. يتوسع ويتعاقد بسرعة عند تعرضه لأي جهد. يستخدم عادة في مكنسة الغبار.
رنين الكهروضغط
الرنين هو أي شيء ينتج صوتًا. يتم تشغيلها بواسطة الدائرة الإلكترونية المتأرجحة. يمكن تشغيل العنصر الكهروضغط بواسطة دائرة إلكترونية متأرجحة أو مصدر إشارة صوتية آخر، يتم تشغيله بواسطة مكبر صوت كهروضغط. غالبًا ما يتم استخدام صوت "بلينك" أو "رنين" أو "بيب" للإشارة إلى أن زرًا تم الضغط عليه.
يعتمد الرنين الكهروضغط (أو البزاز الكهروضغط) على تesonance التجويف الصوتي (أو تesonance هيلمهولتز) لإنتاج صوت مسموع.
مزايا محول الكهروضغط
مزايا محول الكهروضغط هي:
لا حاجة لقوة خارجية
سهل التعامل والاستخدام لأنه له أبعاد صغيرة
استجابة عالية للتردد، مما يعني أن المعلمات تتغير بسرعة كبيرة
عيوب محول الكهروضغط
