Пъезоелектричен преобразувател: Приложения и принцип на действие

Electrical4u

Поле: Основни електротехника

China

Какво е пиецоелектричен преобразувател

Пиецоелектричният преобразувател (също известен като пиецоелектричен сензор) е устройство, което използва пиецоелектричния ефект, за да измерва промени в ускорението, налягането, напрежението, температурата или силата, като преобразува тази енергия в електрически заряд.

Преобразувателят може да бъде всеки обект, който преобразува една форма на енергия в друга. Пиецоелектричните материали са един вид преобразуватели. Когато натиснем този пиецоелектричен материал или приложим каквато и да е сила или налягане, преобразувателят преобразува тази енергия в напрежение. Това напрежение е функция от силата или налягането, приложено към него.

Електрическото напрежение, произведено от пиецоелектричния преобразувател, може лесно да бъде измерено с инструменти за измерване на напрежението. Тъй като това напрежение ще бъде функция от силата или налягането, приложено към него, можем да заключим каква е била силата/налягането по показанията на напрежението. По този начин физични величини като механично напрежение или сила могат да бъдат измерени директно чрез използване на пиецоелектричен преобразувател.

Пиецоелектричен актьор

Пиецоелектричният актьор действа в обратен начин спрямо пиецоелектричния сензор. Това е устройство, при което електрическият ефект ще предизвика материалът да се деформира, т.е. да се разтегне или изкриви.

Това означава, че в пиецоелектричния сензор, когато сила се прилага, за да се разтегне или изкриви, се генерира електрическо потенциално напрежение, а в противоположен случай, когато върху пиецоелектричния актьор се прилага електрическо потенциално напрежение, то се деформира, т.е. се разтегне или изкриви.

Пиецоелектричният преобразувател се състои от кварцов кристал, направен от кремикон и кислород, подредени в кристална структура (SiO2). Обикновено, основната повтаряща се единица на всички кристали е симетрична, но в пиецоелектричния кварцов кристал, тя не е. Пиецоелектричните кристали са електрически нейтрални.

Атомите в тях може да не са симетрично подредени, но техните електрически заряди са балансирани, т.е. положителните заряди компенсират отрицателните. Кварцовият кристал има уникалната особеност да генерира електрическа полярност, когато механично напрежение се приложи към него в определена равнина. Основно има два типа напрежения. Едното е съдръжливо напрежение, а другото е растегателно напрежение.

Когато кварцовият кристал не е под напрежение, няма заряди, индуцирани в него. В случая на съдръжливо напрежение, положителни заряди се индуцират от едната страна, а отрицателни заряди - от противоположната страна. Размерът на кристала става по-тънък и по-дълъг поради съдръжливото напрежение. В случая на растегателно напрежение, зарядите се индуцират в обратен смисъл спрямо съдръжливото напрежение, и кварцовият кристал става по-къс и по-дебел.

Пиецоелектричният преобразувател се основава на принципа на пиецоелектричния ефект. Думата "пиецоелектричен" произлиза от гръцката дума "piezen", което означава да се стиска или притиска. Пиецоелектричният ефект твърди, че когато механично напрежение или сили се прилагат върху кварцов кристал, те произвеждат електрически заряди на повърхността на кварцовия кристал. Пиецоелектричният ефект е открит от Пиер и Жак Кюри. Скоростта на произвеждане на заряд ще бъде пропорционална на скоростта на промяна на механичното напрежение, приложено към него. По-високото напрежение ще доведе до по-високо напрежение.

Една от уникалните характеристики на пиецоелектричния ефект е, че той е обратим, т.е. когато напрежение се приложи към него, те се стремят да променят размера си в определена равнина, т.е. ако структурата на кварцовия кристал се постави в електрическо поле, тя ще деформира кварцовия кристал с количеството, пропорционално на силата на електрическото поле. Ако същата структура се постави в електрическо поле с обратна насоченост, деформацията ще бъде обратна.

Кварцовият кристал става по-дълъг поради приложено електрическо поле

Кварцовият кристал става по-къс поради приложено електрическо поле в обратна насоченост.
Това е самоизточващ преобразувател. Не изисква източник на електрическо напрежение за работа. Електрическото напрежение, произведено от пиецоелектричния преобразувател, варира линейно спрямо приложено напрежение или сила.

Пиецоелектричният преобразувател има висока чувствителност. Затова той действа като сензор и се използва в акселерометри, благодарение на отличната му честотна характеристика. Пиецоелектричният ефект се използва в много приложения, свързани с производството и детектирането на звук, електронната генерация на честоти. Той действа като източник на запалване за цигарен кибрит и се използва в сонари, микрофони, за измерване на сила, налягане и разместване.

Приложение на пиецоелектрични материали

Използвайки пиецоелектрични материали, пиецоелектричните преобразуватели могат да бъдат използвани в различни приложения, включително:

В микрофоните, звуковото налягане се преобразува в електрически сигнал, който в крайна сметка се усилива, за да се произведе по-громък звук.
Автомобилните коланчета се закопчават в отговор на бързо забавяне, което се извършва с използване на пиецоелектричен материал.
Също така се използва в медицинската диагностика.
Се използва в електрически кибрит, използван в кухните. Натискът, направен върху пиецоелектричния сензор, създава електрически сигнал, който в крайна сметка причинява пламъка да се включи.
Те се използват за изучаване на високоскоростни шокови вълни и взривни вълни.
Използва се в лечението на безплодие.
Използва се в чернилни принтери.
Се използва в ресторантите или летищата, когато човек стъпи близо до вратата и тя се отваря автоматично. В този случай концепцията, която се използва, е, че когато човек е близо до вратата, върху сензорите се извършва налягане, причинено от теглото на човека, което води до произвеждане на електрически ефект и вратата се отваря автоматично.