Převodník piezoelektrický: Aplikace a princip fungování
Co je piezoelektrické čidlo
Piezoelektrické čidlo (také známé jako piezoelektrický senzor) je zařízení, které využívá piezoelektrický efekt k měření změn zrychlení, tlaku, napětí, teploty nebo síly převodem této energie na elektrický náboj.
Čidlo může být cokoli, co převádí jednu formu energie na jinou. Piezoelektrický materiál je jedním druhem čidel. Když stiskneme tento piezoelektrický materiál nebo na něj působíme silou nebo tlakem, čidlo tuto energii převede na napětí. Toto napětí je funkcí síly nebo tlaku, který na něj působí.
Elektrické napětí vyprodukované piezoelektrickým čidlem lze snadno změřit pomocí přístrojů pro měření napětí. Protože toto napětí bude funkcí síly nebo tlaku, který na něj působí, můžeme z hodnoty napětí odvodit, jaká byla síla/tlak. Tímto způsobem lze fyzikální veličiny, jako je mechanické napětí nebo síla, měřit přímo pomocí piezoelektrického čidla.
Piezoelektrický aktuator
Piezoelektrický aktuator funguje opačně než piezoelektrický senzor. Je to zařízení, kde elektrický efekt způsobí deformaci materiálu, tedy jeho protažení nebo ohnutí.
To znamená, že u piezoelektrického senzoru, když se na něj působí silou, která ho protáhne nebo ohne, vygeneruje se elektrický potenciál, a naopak, když na piezoelektrický aktuator působí elektrický potenciál, deformuje se, tedy se protáhne nebo ohne.
Piezoelektrické čidlo se skládá z krystalu křemíku, který je vyroben ze síry a kyslíku uspořádaných v krystalové struktuře (SiO2). Obecně jsou základní opakující se jednotky všech krystalů symetrické, ale u piezoelektrického křemíkového krystalu tomu tak není. Piezoelektrické krystaly jsou elektricky neutrální.
Atomy uvnitř nich mohou být asymetricky uspořádány, ale jejich elektrické náboje jsou vyváženy, což znamená, že pozitivní náboje vyruší negativní. Krystal křemíku má unikátní vlastnost generovat elektrickou polaritu, když na něj působí mechanické napětí podél určité roviny. Základně existují dva typy napětí. Jedním je kompresní napětí a druhým je tenzní napětí.
Když je křemík bez napětí, nevyvolají se žádné náboje. V případě kompresního napětí se na jedné straně vyvolají pozitivní náboje a na opačné straně negativní. Krystal se ztenčí a prodlouží kvůli kompresnímu napětí. V případě tenzního napětí se náboje vyvolají opačně než v případě kompresního napětí a křemíkový krystal se zkrátí a rozšíří.
Piezoelektrické čidlo je založeno na principu piezoelektrického efektu. Slovo piezoelektrický pochází z řeckého slova "piezen", což znamená stisknout nebo tlačit. Piezoelektrický efekt říká, že když se na křemíkový krystal působí mechanickým napětím nebo silou, vytvářejí se na povrchu krystalu elektrické náboje. Piezoelektrický efekt objevili Pierre a Jacques Curie. Množství vyprodukovaného náboje bude úměrné množství změny mechanického napětí, které na něj působí. Větší napětí způsobí vyšší napětí.
Jedna z unikátních vlastností piezoelektrického efektu je, že je reverzibilní, což znamená, že když na něj působí napětí, mění své rozměry podél určité roviny, tedy pokud se struktura křemíkového krystalu umístí do elektrického pole, deformuje se křemíkový krystal v měřítku odpovídajícím síle elektrického pole. Pokud se stejná struktura umístí do elektrického pole s obráceným směrem pole, deformace bude opačná.
Krystal křemíku se prodlouží kvůli aplikovanému elektrickému poli
Krystal křemíku se zkrátí kvůli aplikovanému elektrickému poli v obráceném směru. Je to samoenergetické čidlo, které nepotřebuje externí zdroj napětí pro provoz. Elektrické napětí vyprodukované piezoelektrickým čidlem se lineárně mění v závislosti na aplikovaném napětí nebo síle.
Piezoelektrické čidlo má vysokou citlivost. Používá se jako senzor a v akcelerometrech díky své vynikající frekvenční odezvě. Piezoelektrický efekt se používá v mnoha aplikacích, které zahrnují produkci a detekci zvuku, elektronické generování frekvencí. Slouží jako zapalovací zdroj pro zapalovače cigaret a používá se v sonaru, mikrofonech, měření síly, tlaku a posunu.
Aplikace piezoelektrických materiálů
S využitím piezoelektrických materiálů lze piezoelektrická čidla použít v mnoha aplikacích, včetně:
V mikrofonech se zvukový tlak převede na elektrický signál, který se nakonec zesiluje, aby vytvořil hlasitější zvuk.
Pásy v autě se zamknou v reakci na rychlé zpomalení, což se také děje pomocí piezoelektrického materiálu.
Je také používán v lékařské diagnostice.
Je používán v elektrických zapalovačích používaných v kuchyních. Tlak vyvinutý na piezoelektrickém senzoru vytvoří elektrický signál, který nakonec zapálí plamen.
Jsou používány k studiu vysokorychlostních šokových vln a explozních vln.
Používá se v léčbě neplodnosti.
Používá se v inkjetových tiskárnách.
Je také používán v restauracích nebo na letištích, kde se když osoba přiblíží ke dveřím, ty se automaticky otevřou. Koncept spočívá v tom, že když osoba stojí blízko dveří, její váha vyvolá tlak na senzory, což vede k vytvoření elektrického efektu a automatickému otevření dveří.
Příklady piezoelektrických materiálů
Materiály jsou:
Baričitan titanu.
Olověný cirkonát titanu (PZT).
Rochelův sloučeniny.
Piezoelektrický ultrazvukový čidlo
Vytváří frekvence, které jsou mnohem vyšší než ty, které může slyšet lidské ucho. Rychle se rozšiřuje a kontrahuje, když je vystavené jakémukoli napětí. Typicky se používá v vysavačích prachu.
Piezoelektrický buzzer
Buzzer je cokoli, co produkuje zvuk. Jsou poháněny oscilujícími elektronickými obvody. Piezoelektrický element může být poháněn oscilujícím elektronickým obvodem nebo jiným zdrojem zvukového signálu, poháněným piezoelektrickým audio zesilovačem. Blikání, zvonění nebo cvrčení jsou běžně používané zvuky, které indikují, že byl tlačítko stisknuto.
