Πιεζοηλεκτρικός Μετατροπέας: Εφαρμογές και Λειτουργικό Αρχή

Τι είναι Πιεζοηλεκτρικός Μετατροπέας

Ένας πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας (επίσης γνωστός ως πιεζοηλεκτρικός αισθητήρας) είναι ένα συστήμα που χρησιμοποιεί το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο για να μετρά αλλαγές στην επιτάχυνση, την πίεση, την τάση, τη θερμοκρασία ή τη δύναμη, μετατρέποντας αυτή την ενέργεια σε ηλεκτρικό φορτίο.

Ένας μετατροπέας μπορεί να είναι οποιοδήποτε σύστημα που μετατρέπει μια μορφή ενέργειας σε άλλη. Το πιεζοηλεκτρικό ύλη είναι ένα είδος μετατροπέα. Όταν πιέζουμε αυτό το πιεζοηλεκτρικό υλικό ή εφαρμόζουμε κάποια δύναμη ή πίεση, ο μετατροπέας μετατρέπει αυτή την ενέργεια σε τάση. Αυτή η τάση είναι συνάρτηση της δύναμης ή πίεσης που εφαρμόζεται σε αυτό.

Η ηλεκτρική τάση που παράγεται από έναν πιεζοηλεκτρικό μετατροπέα μπορεί να μετρηθεί εύκολα με τα μέτρημα τάσης. Επειδή αυτή η τάση θα είναι συνάρτηση της δύναμης ή πίεσης που εφαρμόζεται, μπορούμε να προσδιορίσουμε τη δύναμη/πίεση από την ανάγνωση τάσης. Σε αυτόν τον τρόπο, φυσικές ποσότητες όπως η μηχανική τάση ή η δύναμη μπορούν να μετρηθούν άμεσα με τη χρήση ενός πιεζοηλεκτρικού μετατροπέα.

Πιεζοηλεκτρικός Κινητήρας

Ένας πιεζοηλεκτρικός κινητήρας συμπεριφέρεται αντίστροφα σε σχέση με τον πιεζοηλεκτρικό αισθητήρα. Είναι εκείνος στον οποίο το ηλεκτρικό φαινόμενο θα προκαλέσει την μεταβολή της μορφής του υλικού, δηλαδή τον τεντώνει ή τον κάνει να καμπυλώνεται.

Αυτό σημαίνει ότι σε έναν πιεζοηλεκτρικό αισθητήρα, όταν εφαρμόζεται δύναμη για να τον τεντώσει ή να τον κάνει να καμπυλώνεται, παράγεται ηλεκτρικό δυναμικό και αντίθετα, όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό δυναμικό σε έναν πιεζοηλεκτρικό κινητήρα, αυτός τεντώνεται ή καμπυλώνεται.

Ένας πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας αποτελείται από κρύσταλλο κουαρτζ, που είναι κατασκευασμένος από σιλικόνιο και οξυγόνο σε κρυσταλλική δομή (SiO2). Γενικά, το βασικό επαναλαμβανόμενο μοναδικό κύτταρο όλων των κρυστάλλων είναι συμμετρικό, αλλά στον πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο κουαρτζ, δεν είναι. Οι πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι είναι ηλεκτρικά ουδέτεροι.

Τα άτομα μέσα τους μπορεί να μην είναι συμμετρικά τοποθετημένα, αλλά οι ηλεκτρικές τους φορές είναι ισορροπημένες, δηλαδή οι θετικές φορές αναιρούν τις αρνητικές. Ο κρύσταλλος κουαρτζ έχει τη μοναδική ιδιότητα να παράγει ηλεκτρική πολικότητα όταν εφαρμόζεται μηχανική τάση σε αυτόν κατά μια συγκεκριμένη επίπεδη. Βασικά, υπάρχουν δύο είδη τάσης. Η μία είναι η συμπίεση και η άλλη είναι η τενσιον.

Όταν υπάρχει αστραγάλι κουαρτζ χωρίς τάση, δεν παράγονται φορές. Στην περίπτωση της συμπίεσης, παράγονται θετικές φορές σε μια πλευρά και αρνητικές φορές στην αντίθετη. Ο κρύσταλλος γίνεται λεπτότερος και μακρύτερος λόγω της συμπίεσης. Στην περίπτωση της τενσιον, οι φορές παράγονται αντίστροφα σε σχέση με τη συμπίεση και ο κρύσταλλος γίνεται μαζεμένος και πιο πλατύ.

Ένας πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας βασίζεται στην αρχή του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου. Το λέξη "πιεζοηλεκτρικό" προέρχεται από την ελληνική λέξη "piezen", που σημαίνει να πιέζει ή να πιέζει. Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο λέει ότι όταν εφαρμόζονται μηχανικές τάσεις ή δυνάμεις σε κρύσταλλο κουαρτζ, παράγονται ηλεκτρικές φορές στην επιφάνεια του κρυστάλλου. Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο ανακαλύφθηκε από τους Pierre και Jacques Curie. Το ρυθμός παραγωγής φορών θα είναι ανάλογος με τον ρυθμό μεταβολής της μηχανικής τάσης που εφαρμόζεται. Όσο μεγαλύτερη είναι η τάση, τόσο μεγαλύτερη είναι η τάση.

Μία από τις μοναδικές ιδιότητες του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου είναι ότι είναι αναστρέψιμο, δηλαδή όταν εφαρμόζεται τάση, τείνουν να αλλάζουν διάσταση κατά μια συγκεκριμένη επίπεδη, δηλαδή η δομή του κρυστάλλου κουαρτζ πληρώνεται σε ηλεκτρικό πεδίο, θα μετατρέπει τον κρύσταλλο κουαρτζ με ποσό ανάλογο με την ισχύ του ηλεκτρικού πεδίου. Εάν η ίδια δομή πληρώνεται σε ηλεκτρικό πεδίο με αντίστροφη κατεύθυνση, η μεταβολή θα είναι αντίθετη.

Ο κρύσταλλος κουαρτζ γίνεται μακρύτερος λόγω του εφαρμοσμένου ηλεκτρικού πεδίου

Ο κρύσταλλος κουαρτζ γίνεται μαζεμένος λόγω του εφαρμοσμένου ηλεκτρικού πεδίου σε αντίστροφη κατεύθυνση.
Είναι ένας αυτογενής μετατροπέας. Δεν απαιτεί ηλεκτρική τάση για λειτουργία. Η ηλεκτρική τάση που παράγεται από τον πιεζοηλεκτρικό μετατροπέα μεταβάλλεται γραμμικά σε εφαρμοσμένη τάση ή δύναμη.

Ο πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας έχει υψηλή ευαισθησία. Έτσι, λειτουργεί ως αισθητήρας και χρησιμοποιείται σε επιταχυνσιόμετρα λόγω της εξαιρετικής του απόκρισ