Piezoeletrisk transducer: Anvendelser & arbejdsmåde
Hvad er en piezoelektrisk transducer
En piezoelektrisk transducer (også kendt som en piezoelektrisk sensor) er en enhed, der bruger piezoelektriske effekter til at måle ændringer i acceleration, tryk, spænding, temperatur eller kraft ved at konvertere denne energi til en elektrisk ladning.
En transducer kan være noget, der konverterer en form for energi til en anden. Piezoelektrisk materiale er en type transducer. Når vi presser dette piezoelektriske materiale eller påfører en kraft eller tryk, konverterer transduceren denne energi til spænding. Denne spænding er en funktion af den kraft eller det tryk, der er påført det.
Den elektriske spænding, der produceres af en piezoelektrisk transducer, kan let måles med spændingsmålingsinstrumenter. Da denne spænding vil være en funktion af den kraft eller det tryk, der er påført, kan vi slutte, hvad kraften/trykket var ud fra spændingsmålingen. På denne måde kan fysiske størrelser som mekanisk stress eller kraft måles direkte ved hjælp af en piezoelektrisk transducer.
Piezoelektrisk aktuator
En piezoelektrisk aktuator opfører sig modsat en piezoelektrisk sensor. Det er den, hvor den elektriske effekt vil forårsage, at materialet deformeres, dvs. strækkes eller bøjes.
Det betyder, at i en piezoelektrisk sensor, når kraft påføres for at strække eller bøje den, genereres en elektrisk potentiel, og omvendt, når et piezoelektrisk aktuator påføres et elektrisk potentiel, deformeres det, dvs. strækkes eller bøjes.
En piezoelektrisk transducer består af kvartskrystal, der er lavet af silicium og ilt, arrangeret i et krystallint struktur (SiO2). Generelt er enhedscellen (grundlæggende gentagende enhed) af alle krystal symmetrisk, men i piezoelektriske kvartskrystal er det ikke. Piezoelektriske krystal er elektrisk neutral.
Atomerne indeni dem kan ikke være symmetrisk arrangeret, men deres elektriske ladninger er balancerede, hvilket betyder, at positive ladninger udligner negative ladninger. Kvartskrystal har den unikke egenskab at generere elektrisk polaritet, når mekanisk stress påføres det langs en bestemt plan. Der findes to typer stress. Den ene er komprimerende stress, og den anden er trækstress.
Når der er ubelasted kvarts, induceres der ingen ladninger på det. I tilfældet med komprimerende stress induceres positive ladninger på den ene side, og negative ladninger på den anden side. Krystalstørrelsen bliver tyndere og længere på grund af komprimerende stress. I tilfældet med trækstress induceres ladninger i modsat retning sammenlignet med komprimerende stress, og kvartskrystal bliver kortere og tykkere.
En piezoelektrisk transducer er baseret på principperne for piezoelektrisk effekt. Ordet piezoelektrisk stammer fra det græske ord "piezen", som betyder at presse eller knuse. Piezoelektrisk effekt siger, at når mekanisk stress eller kraft påføres kvartskrystal, produceres elektriske ladninger på kvartskrystals overflade. Piezoelektrisk effekt blev opdaget af Pierre og Jacques Curie. Hastigheden for produktion af ladninger vil være proportional med hastigheden for ændring af den mekaniske stress, der er påført. Jo højere stress, jo højere spænding.
En af de unikke karakteristika ved piezoelektrisk effekt er, at den er reversibel, hvilket betyder, at når spænding påføres, ændrer de dimensioner langs en bestemt plan, dvs. hvis kvartskrystalstrukturen sættes i et elektrisk felt, vil den deformere kvartskrystal proportionalt med styrken af det elektriske felt. Hvis samme struktur sættes i et elektrisk felt med omvendt retning, vil deformationen være den modsatte.
Kvartskrystal bliver længere på grund af det påførte elektriske felt
Kvartskrystal bliver kortere på grund af det påførte elektriske felt i omvendt retning.
Det er en selvgenererende transducer. Den kræver ikke en ekstern elektrisk spændingskilde for at fungere. Den elektriske spænding, der produceres af piezoelektrisk transducer, varierer lineært med den påførte stress eller kraft.
Piezoelektrisk transducer har høj følsomhed. Så, den fungerer som en sensor og anvendes i accelerometer på grund af dens fremragende frekvensrespons. Piezoelektrisk effekt anvendes i mange applikationer, der involverer produktion og detektion af lyd, elektronisk frekvensgenerering. Den fungerer som en tændingskilde for cigarettenænde og anvendes i sonar, mikrofon, kraft, tryk og forskydningsmåling
Anvendelse af piezoelektriske materialer
Ved hjælp af piezoelektriske materialer kan piezoelektriske transducere anvendes i en række forskellige applikationer, herunder:
I mikrofoner konverteres lydtrykket til et elektrisk signal, og dette signal forstærkes til sidst for at producere en højere lyd.
Bilsædebelter låses i respons til en hurtig deceleration, også gennemført ved hjælp af et piezoelektrisk materiale.
Det anvendes også i medicinsk diagnostik.
Det anvendes i elektriske lighter, der bruges i køkkener. Trykket på piezoelektrisk sensor skaber et elektrisk signal, der til sidst får flammen til at tænde.
De anvendes til studiet af højhastighedschokbølger og eksplosionsbølger.
Anvendes i fertilitetsbehandling.
Anvendes i inkjet-printere
Det anvendes også i restauranter eller lufthavne, hvor når en person træder nær døren, åbner døren automatisk. Her bruges begrebet, at når en person er nær døren, påføres tryk på sensoren på grund af personens vægt, hvilket resulterer i, at døren åbnes automatisk.
Eksempler på piezoelektriske materialer
Materialerne er :
Bariumtitang.
Lead zirkonat titanat (PZT).
Rochelle salt.
Piezoelektrisk ultralydstransducer
Den producerer frekvenser, der er langt over, hvad menneskehøret kan høre. Den udvider og kontraherer hurtigt, når den udsættes for en spænding. Den anvendes typisk i støvsugere.
Piezo buzzer
En buzzer er noget, der producerer lyd. De driver af oscillerende elektroniske kredsløb. En piezoelektrisk element kan drives af et oscillerende elektronisk kredsløb eller en anden lydsignal-kilde, driven med en piezoelektrisk lydforstærker. Et blink, en ring eller en bip er ofte anvendte lyde til at indikere, at en knap er blevet trykket ned.
En piezoelektrisk buzzer (eller piezoelektrisk beeper) afhænger af akustisk kavaleresonnance (eller Helmholtz-resonans) for at producere en hørbart bip.
<
