Piezoelektischer Wandler: Anwendungen & Funktionsprinzip
Was ist ein piezoelektrischer Wandler
Ein piezoelektrischer Wandler (auch bekannt als piezoelektrischer Sensor) ist ein Gerät, das den piezoelektrischen Effekt nutzt, um Veränderungen in Beschleunigung, Druck, Dehnung, Temperatur oder Kraft zu messen, indem diese Energie in eine elektrische Ladung umgewandelt wird.
Ein Wandler kann alles sein, was eine Form von Energie in eine andere umwandelt. Das piezoelektrische Material ist eine Art von Wandlern. Wenn wir dieses piezoelektrische Material quetschen oder eine Kraft oder einen Druck anwenden, wandelt der Wandler diese Energie in Spannung um. Diese Spannung ist eine Funktion der angewendeten Kraft oder des Drucks.
Die durch einen piezoelektrischen Wandler erzeugte elektrische Spannung kann leicht mit Spannungs-messgeräten gemessen werden. Da diese Spannung eine Funktion der angewendeten Kraft oder des Drucks ist, können wir aus der Spannungsmessung schließen, welche Kraft/Druck vorhanden war. Auf diese Weise können physikalische Größen wie mechanische Spannung oder Kraft direkt mit einem piezoelektrischen Wandler gemessen werden.
Piezoelektrischer Aktor
Ein piezoelektrischer Aktor verhält sich im Gegensatz zum piezoelektrischen Sensor. Es ist derjenige, bei dem der elektrische Effekt dazu führt, dass das Material deformiert wird, d. h. gedehnt oder verbogen wird.
Das bedeutet, dass in einem piezoelektrischen Sensor, wenn eine Kraft aufgebracht wird, um es zu dehnen oder zu verbiegen, ein elektrisches Potential erzeugt wird und im Gegenteil, wenn auf einem piezoelektrischen Aktor ein elektrisches Potential angelegt wird, wird es deformiert, d. h. gedehnt oder verbogen.
Ein piezoelektrischer Wandler besteht aus Quarzkristall, der aus Silizium und Sauerstoff in einer kristallinen Struktur (SiO2) hergestellt wird. Im Allgemeinen ist die Elementarzelle (die grundlegende wiederholende Einheit) aller Kristalle symmetrisch, aber beim piezoelektrischen Quarzkristall nicht. Piezoelektrische Kristalle sind elektrisch neutral.
Die Atome darin können nicht symmetrisch angeordnet sein, aber ihre elektrischen Ladungen sind ausgeglichen, das heißt, positive Ladungen heben negative Ladungen auf. Der Quarzkristall hat die einzigartige Eigenschaft, elektrische Polarität zu erzeugen, wenn mechanischer Druck in einer bestimmten Ebene darauf ausgeübt wird. Es gibt grundsätzlich zwei Arten von Spannung. Eine ist Druckspannung und die andere Zugspannung.
Bei unbelastetem Quarz entstehen keine Ladungen. Bei Druckspannung werden positive Ladungen auf einer Seite und negative Ladungen auf der gegenüberliegenden Seite induziert. Der Kristall wird durch die Druckspannung dünner und länger. Bei Zugspannung werden die Ladungen im Vergleich zur Druckspannung umgekehrt induziert und der Quarzkristall wird kürzer und dicker.
Ein piezoelektrischer Wandler basiert auf dem Prinzip des piezoelektrischen Effekts. Das Wort "piezoelektrisch" stammt vom griechischen Wort "piezen", was "drücken" oder "pressen" bedeutet. Der piezoelektrische Effekt besagt, dass, wenn mechanischer Druck oder Kräfte auf den Quarzkristall ausgeübt werden, elektrische Ladungen auf der Oberfläche des Quarzkristalls erzeugt werden. Der piezoelektrische Effekt wurde von Pierre und Jacques Curie entdeckt. Die Rate der erzeugten Ladung ist proportional zur Änderungsrate des mechanischen Drucks, der darauf ausgeübt wird. Je höher der Druck, desto höher die Spannung.
Eine der einzigartigen Eigenschaften des piezoelektrischen Effekts ist, dass er umkehrbar ist, das heißt, wenn eine Spannung darauf angelegt wird, ändern sie ihre Dimensionen in einer bestimmten Ebene, d. h. wenn die Quarzkristallstruktur in ein elektrisches Feld platziert wird, wird der Quarzkristall in einem Maß verformt, das der Stärke des elektrischen Feldes entspricht. Wenn die gleiche Struktur in ein elektrisches Feld mit umgekehrter Richtung des Feldes platziert wird, wird die Verformung entgegengesetzt sein.
Der Quarzkristall wird aufgrund des angewendeten elektrischen Feldes länger
Der Quarzkristall wird kürzer, da das elektrische Feld in umgekehrter Richtung angewendet wird.
Es handelt sich um einen selbstgenerierenden Wandler. Er benötigt keine externe Spannungsquelle für den Betrieb. Die von dem piezoelektrischen Wandler erzeugte elektrische Spannung variiert linear mit dem angewendeten Druck oder der Kraft.
Der piezoelektrische Wandler hat eine hohe Empfindlichkeit. Daher dient er als Sensor und wird in Beschleunigern aufgrund seiner ausgezeichneten Frequenzantwort verwendet. Der piezoelektrische Effekt wird in vielen Anwendungen eingesetzt, die die Erzeugung und Detektion von Schall, die elektronische Frequenzgenerierung betreffen. Er dient als Zündquelle für Feuerzeuge und wird in Sonar, Mikrofon, Kraft-, Druck- und Verschiebungsmessung eingesetzt
Anwendung von piezoelektrischen Materialien
Mit piezoelektrischen Materialien können piezoelektrische Wandler in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, darunter:
In Mikrofonen wird der Schalldruck in ein elektrisches Signal umgewandelt, und dieses Signal wird letztendlich verstärkt, um einen lautereren Ton zu erzeugen.
Autogurte sperren in Reaktion auf eine schnelle Abbremsung ebenfalls mithilfe eines piezoelektrischen Materials.
Sie werden auch in der medizinischen Diagnostik verwendet.
Sie werden in elektrischen Küchenanzündern verwendet. Der Druck auf den piezoelektrischen Sensor erzeugt ein elektrisches Signal, das letztendlich die Flamme entzündet.
Sie werden zur Untersuchung von Hochgeschwindigkeitsschockwellen und Explosionswellen eingesetzt.
Sie werden in der Fruchtbarkeitsbehandlung verwendet.
Sie werden in Tintenstrahldruckern verwendet.
Sie werden auch in Restaurants oder Flughäfen verwendet, wo, wenn eine Person in der Nähe der Tür steht, die Tür automatisch geöffnet wird. Hierbei wird das Konzept verwendet, dass, wenn eine Person in der Nähe der Tür ist, Druck durch das Gewicht der Person auf die Sensoren ausgeübt wird, wodurch der elektrische Effekt erzeugt wird und die Tür sich automatisch öffnet.
Beispiele für piezoelektrische Materialien
Die Materialien sind:
Bariumtitanat.
Blei-Zirkonat-Titanat (PZT).
Rochelle-Salz.
Der piezoelektrische Ultraschall-Wandler
Er erzeugt Frequenzen, die weit über denen liegen, die vom menschlichen Ohr gehört werden können. Er expandiert und kontrahiert schnell, wenn er einer Spannung ausgesetzt wird. Er wird typischerweise in Staubsaugern verwendet.
Piezo-Summer
Ein Summer ist alles, was einen Ton erzeugt. Sie werden von oszillierenden elektronischen Schaltkreisen angetrieben. Ein piezoelektrisches Element kann von einem oszillierenden elektronischen Schaltkreis oder einer anderen Audioquelle angetrieben werden, die mit einem piezoelektrischen Audioverstärker betrieben wird. Ein Klick, ein Klingeln oder ein Piepen sind häufig verwendete Töne, um anzuzeigen, dass ein Knopf gedrückt wurde.
Ein piezoelektrischer Summer (oder piezoelektrischer Pfeifer) basiert auf akustischer Hohlraumresonanz (oder Helmholtz-Resonanz), um ein hörbares Piepen zu erzeugen.
Vorteile des piezoe
