Transductor Piezoeléctrico: Aplicaciones y Principio de Funcionamiento
¿Qué es un Transductor Piezoeléctrico?
Un transductor piezoeléctrico (también conocido como sensor piezoeléctrico) es un dispositivo que utiliza el efecto piezoeléctrico para medir cambios en la aceleración, presión, deformación, temperatura o fuerza, convirtiendo esta energía en una carga eléctrica.
Un transductor puede ser cualquier cosa que convierta una forma de energía en otra. El material piezoeléctrico es un tipo de transductor. Cuando se aprieta este material piezoeléctrico o se le aplica cualquier fuerza o presión, el transductor convierte esta energía en voltaje. Este voltaje es una función de la fuerza o presión aplicada a él.
El voltaje eléctrico producido por un transductor piezoeléctrico puede medirse fácilmente con los instrumentos de medición de voltaje. Dado que este voltaje será una función de la fuerza o presión aplicada, podemos inferir cuál fue la fuerza/presión a partir de la lectura del voltaje. De esta manera, las cantidades físicas como el estrés mecánico o la fuerza pueden medirse directamente utilizando un transductor piezoeléctrico.
Actuador Piezoeléctrico
Un actuador piezoeléctrico se comporta de manera opuesta al sensor piezoeléctrico. Es aquel en el que el efecto eléctrico causará que el material se deforme, es decir, se estire o doble.
Eso significa que, en un sensor piezoeléctrico, cuando se aplica una fuerza para estirar o doblarlo, se genera un potencial eléctrico y, en sentido contrario, en un actuador piezoeléctrico, cuando se aplica un potencial eléctrico, se deforma, es decir, se estira o dobla.
Un transductor piezoeléctrico consta de cristal de cuarzo, que está hecho de silicio y oxígeno dispuestos en una estructura cristalina (SiO2). Generalmente, la célula unitaria (unidad básica repetitiva) de todos los cristales es simétrica, pero en el cristal de cuarzo piezoeléctrico, no lo es. Los cristales piezoeléctricos son eléctricamente neutrales.
Los átomos dentro de ellos pueden no estar dispuestos simétricamente, pero sus cargas eléctricas están equilibradas, es decir, las cargas positivas cancelan las negativas. El cristal de cuarzo tiene la propiedad única de generar polaridad eléctrica cuando se le aplica un estrés mecánico a lo largo de un cierto plano. Básicamente, existen dos tipos de estrés. Uno es el estrés compresivo y el otro es el estrés tensil.
Cuando hay un cuarzo sin estrés, no se inducen cargas en él. En el caso de estrés compresivo, se inducen cargas positivas en un lado y cargas negativas en el lado opuesto. El tamaño del cristal se vuelve más delgado y largo debido al estrés compresivo. En el caso de estrés tensil, las cargas se inducen de manera inversa en comparación con el estrés compresivo y el cristal de cuarzo se vuelve más corto y ancho.
Un transductor piezoeléctrico se basa en el principio del efecto piezoeléctrico. La palabra piezoeléctrico proviene de la palabra griega "piezen", que significa apretar o presionar. El efecto piezoeléctrico establece que cuando se aplican estrés mecánico o fuerzas sobre el cristal de cuarzo, se producen cargas eléctricas en la superficie del cristal de cuarzo. El efecto piezoeléctrico fue descubierto por Pierre y Jacques Curie. La tasa de carga producida será proporcional a la tasa de cambio del estrés mecánico aplicado a él. Cuanto mayor sea el estrés, mayor será el voltaje.
Una de las características únicas del efecto piezoeléctrico es que es reversible, es decir, cuando se aplica un voltaje a ellos, tienden a cambiar su dimensión a lo largo de un cierto plano, es decir, si la estructura del cristal de cuarzo se coloca en un campo eléctrico, se deformará el cristal de cuarzo en una cantidad proporcional a la intensidad del campo eléctrico. Si la misma estructura se coloca en un campo eléctrico con la dirección del campo invertida, la deformación será opuesta.
El cristal de cuarzo se vuelve más largo debido al campo eléctrico aplicado
El cristal de cuarzo se vuelve más corto debido al campo eléctrico aplicado en dirección inversa.
Es un transductor autogenerador. No requiere una fuente de voltaje externa para funcionar. El voltaje eléctrico producido por el transductor piezoeléctrico varía linealmente con el estrés o la fuerza aplicada.
El transductor piezoeléctrico tiene alta sensibilidad. Por lo tanto, actúa como un sensor y se utiliza en acelerómetros debido a su excelente respuesta de frecuencia. El efecto piezoeléctrico se usa en muchas aplicaciones que implican la producción y detección de sonido, generación electrónica de frecuencia. Actúa como fuente de ignición para encendedores de cigarrillos y se usa en sonar, micrófonos, medición de fuerza, presión y desplazamiento.
Aplicaciones de Materiales Piezoeléctricos
Usando materiales piezoeléctricos, los transductores piezoeléctricos pueden usarse en una variedad de aplicaciones, incluyendo:
En micrófonos, la presión sonora se convierte en una señal eléctrica y esta señal se amplifica finalmente para producir un sonido más fuerte.
Los cinturones de seguridad de automóviles se bloquean en respuesta a una deceleración rápida, también se hace usando un material piezoeléctrico.
También se utiliza en diagnósticos médicos.
Se utiliza en encendedores eléctricos usados en cocinas. La presión hecha en el sensor piezoeléctrico crea una señal eléctrica que finalmente hace que el flash se encienda.
Se utilizan para estudiar ondas de choque de alta velocidad y ondas de explosión.
Utilizado en tratamientos de fertilidad.
Utilizado en impresoras de inyección de tinta.
También se utiliza en restaurantes o aeropuertos donde, cuando una persona se acerca a la puerta, ésta se abre automáticamente. En esto, el concepto utilizado es que, cuando una persona está cerca de la puerta, se ejerce presión por el peso de la persona en los sensores, debido a lo cual se produce el efecto eléctrico y la puerta se abre automáticamente.
Ejemplos de Material Piezoeléctrico
Los materiales son:
Titanato de bario.
Zirconato titanato de plomo (PZT).
Sal de Rochelle.
Transductor Ultrasonido Piezoeléctrico
Produce frecuencias que están muy por encima de las que pueden ser escuchadas por el oído humano. Se expande y contrae rápidamente cuando se somete a cualquier voltaje. Se utiliza típicamente en aspiradoras.
Zumbador Piezoeléctrico
Un zumbador es cualquier cosa que produce sonido. Son impulsados por un circuito electrónico oscilante. Un elemento piezoeléctrico puede ser impulsado por un circuito electrónico oscilante u otra fuente de señal de audio, impulsado con un amplificador de audio piezoeléctrico. Un parpadeo, un timbre o un pitido son comúnmente usados para indicar que se ha presionado un botón.
Un zumbador piezoeléctrico (o zumbador piezoeléctrico) depende de la resonancia de cavidad acústica (o resonancia de Helmholtz) para producir un pitido audible.
Ventajas del Transductor Piezoeléctrico
Las ventajas de los trans
