Transductor Piezoelèctric: Aplicacions i Principi de Funcionament
Què és un Transductor Piezoelèctric
Un transductor piezoelèctric (també conegut com a sensor piezoelèctric) és un dispositiu que utilitza l'efecte piezoelèctric per mesurar canvis en acceleració, pressió, deformació, temperatura o força convertint aquesta energia en una càrrega elèctrica.
Un transductor pot ser qualsevol cosa que converteixi una forma d'energia en una altra. El material piezoelèctric és un tipus de transductors. Quan premmem aquest material piezoelèctric o li apliquem alguna força o pressió, el transductor converteix aquesta energia en tensió. Aquesta tensió és una funció de la força o pressió aplicada.
La tensió elèctrica produïda per un transductor piezoelèctric es pot mesurar fàcilment amb els instruments de mesura de tensió. Com que aquesta tensió serà una funció de la força o pressió aplicada, podem deduir quina era la força/pressió a partir de la lectura de tensió. D'aquesta manera, es poden mesurar quantitats físiques com l'estressa mecànica o la força directament mitjançant un transductor piezoelèctric.
Actuador Piezoelèctric
Un actuador piezoelèctric actua de manera inversa a un sensor piezoelèctric. És el dispositiu en què l'efecte elèctric causarà la deformació del material, és a dir, estirar-se o doblegar-se.
Això significa que en un sensor piezoelèctric, quan s'aplica una força per estirar-lo o doblegar-lo, es genera un potencial elèctric i, al contrari, en un actuador piezoelèctric, quan s'aplica un potencial elèctric, es deforma, és a dir, es estira o doblega.
Un transductor piezoelèctric consta de cristall de quàrtze que es fa de silici i oxigen disposats en una estructura cristal·lina (SiO2). Generalment, la cel·la unitària (unitat bàsica repetida) de tots els cristalls és simètrica, però en el cristall de quàrtze piezoelèctric, no ho és. Els cristalls piezoelèctrics són elèctricament neutres.
Els àtoms interiors poden no estar disposats simètricament, però les seves càrregues elèctriques estan equilibrades, és a dir, les càrregues positives cancel·len les càrregues negatives. El cristall de quàrtze té la propietat única de generar polaritat elèctrica quan s'aplica estressa mecànica a cert pla. Bàsicament, hi ha dos tipus d'estressa. Una és l'estressa compressiva i l'altra és l'estressa tensile.
Quan el quàrtze no està estressat, no induïm cap càrrega. En el cas d'estressa compressiva, es generen càrregues positives en un costat i càrregues negatives en el costat oposat. La mida del cristall es redueix i allarga degut a l'estressa compressiva. En el cas d'estressa tensile, les càrregues es generen en sentit invers comparat amb l'estressa compressiva, i el cristall de quàrtze es curta i engrosa.
Un transductor piezoelèctric es basa en el principi de l'efecte piezoelèctric. La paraula piezoelèctric prové de la paraula grega piezen, que significa apretar o premer. L'efecte piezoelèctric estableix que quan s'apliquen estresses mecàniques o forces a un cristall de quàrtze, es produeixen càrregues elèctriques a la superfície del cristall de quàrtze. L'efecte piezoelèctric va ser descobert per Pierre i Jacques Curie. La taxa de càrregues produïdes serà proporcional a la taxa de canvi de l'estressa mecànica aplicada. Més alta serà l'estressa, més alta serà la tensió.
Una de les característiques úniques de l'efecte piezoelèctric és que és reversible, és a dir, quan s'aplica tensió a ells, tendeixen a canviar la dimensió juntament amb un cert pla, és a dir, si la estructura del cristall de quàrtze es col·loca en un camp elèctric, es deformarà el cristall de quàrtze en una quantitat proporcional a la fortalesa del camp elèctric. Si la mateixa estructura es col·loca en un camp elèctric amb la direcció del camp invertida, la deformació serà l'oposada.
El cristall de quàrtze es fa més llarg degut al camp elèctric aplicat
El cristall de quàrtze es fa més curt degut al camp elèctric aplicat en sentit invers.
És un transductor autogenerador. No necessita una font de tensió elèctrica externa per a funcionar. La tensió elèctrica produïda pel transductor piezoelèctric varia linealment segons l'estressa o força aplicada.
El transductor piezoelèctric té una sensibilitat elevada. Per tant, serveix com a sensor i s'utilitza en acceleròmetres gràcies a la seva excel·lent resposta en freqüència. L'efecte piezoelèctric s'utilitza en moltes aplicacions que impliquen la producció i detecció de so, la generació electrònica de freqüències. Serveix com a font d'encès per encenedors electrònics i s'utilitza en sonars, microfons, mesuraments de força, pressió i desplaçament.
Aplicacions dels Materials Piezoelèctrics
Utilitzant materials piezoelèctrics, els transductors piezoelèctrics es poden utilitzar en una gran varietat d'aplicacions, incloent-hi:
En microfons, la pressió sonora es converteix en un senyal elèctric i aquest senyal es amplifica finalment per produir un so més fort.
Les cintes de seguretat dels cotxes es bloquegen en resposta a una decel·leració ràpida també s'afegeixen utilitzant un material piezoelèctric.
També s'utilitza en diagnòstic mèdic.
S'utilitza en encenedors elèctrics utilitzats en cuines. La pressió exercida sobre el sensor piezoelèctric crea un senyal elèctric que, finalment, provoca que el flash s'enci.
S'utilitzen per estudiar ones de xoc d'alta velocitat i ones d'explosió.
Utilitzat en tractaments de fertilitat.
Utilitzat en impressores d'inkjet.
També s'utilitza en restaurants o aeroports on, quan una persona s'acosta a la porta, aquesta s'obre automàticament. En això, el concepte utilitzat és que quan una persona està a prop de la porta, la pressió es duu a terme per el pes de la persona sobre els sensors, degut al qual s'produceix l'efecte elèctric i la porta s'obre automàticament.
Exemples de Materials Piezoelèctrics
Els materials són :
Titanat de bari.
Zirconat de plom titanat (PZT).
Sal de Rochelle.
Transductor Ultrassònic Piezoelèctric
Produceix freqüències que estan ben amunt de les que es poden escoltar per l'orella humana. Es dilata i contracta ràpidament quan es submet a qualsevol tensió. Normalment s'utilitza en aspiradors.
Buzzer Piezoelèctric
Un buzzer és qualsevol cosa que produeix so. Són impulsats per un circuit electrònic oscil·lant. Un element piezoelèctric pot ser impulsat per un circuit electrònic oscil·lant o una altra font de senyal d'àudio, impulsat amb un amplificador de so piezoelèctric. Un blick, un ring o un beep són sons comuns utilitzats per indicar que s'ha premut un botó.
Un buzzer piezoelèctric (o beeper piezoelèctric) depèn de la resonància de la cavetat acústica (o resonància de Helmholtz) per produir un beep audible.
