Piezoelne transduktor: Rakendused ja tööpõhimõte
Mis on piezoelektriline transduktor
Piezoelektriline transduktor (tuntuv ka kui piezoelektriline sensor) on seade, mis kasutab piezoelektrilist efekti, et mõõta kiirenduse, rõhu, deformatsiooni, temperatuuri või jõudluse muutusi, teisendades seda energiat elektrilise laenguna.
Transduktor võib olla ükskõik mis, mis teisendab ühe energiavormi teiseks. Piezoelektriline materjal on üks selliste transduktorite tüüp. Kui me selle piezoelektrilist materjali pigistame või rakendame mingit jõudu või rõhu, siis transduktor teisendab selle energiat voltagiks. See voltag on funktsioon jõupingest või rõhust, mida seele rakendatakse.
Piezoelektrilise transduktoriga toodetud elektrivoolu on lihtne mõõta voltmeteridega. Kuna see voltag on funktsioon jõupingest või rõhust, mida seele rakendatakse, saame sellest voltagi lugemist järeldada, mis oli jõud/rõhk. Nii saame füüsika suurusi, nagu mehaaniline pingeline jõud, otse mõõta, kasutades piezoelektrilist transduktorit.
Piezoelektriline aktuaator
Piezoelektriline aktuaator käitub vastupidises viisis piezoelektrilise sensoriga. See on seade, kus elektriline efekt põhjustab materjali deformeerumist, st venimist või painumist.
See tähendab, et piezoelektrilises sensoris, kui sellele rakendatakse jõud, et selle vahetult või painutada, genereeritakse elektriline potentsiaal ja vastupidises juhul, kui piezoelektrilisel aktuaatoril rakendatakse elektriline potentsiaal, siis see deformeeritakse, st venitatakse või painutatakse.
Piezoelektriline transduktor koosneb kvartsikristallist, mis on valmistatud silitsiumi ja hapnikust kristallstruktuurina (SiO2). Tavaliselt on kõigi kristallite ühikrakk (põhiline korduv üksus) sümmeetriline, kuid piezoelektrilises kvartsikristallis ei ole. Piezoelektrilised kristallid on elektriliselt neutraalsed.
Nende sees võivad atomid olla sümmeetriliselt paigutatud, kuid nende elektrilised laengud on tasakaalus, st positiivsed laengud kompenseerivad negatiivsed laengud. Kvartsikristallil on ainulaadne omadus, et see genereerib elektrilise polaarilisuse, kui sellele rakendatakse mehaanilist pinget teatud tasandil. Olemas on kaks tüüpi pinget: üks on kokkusurumispinge ja teine on venituspinge.
Kui kvarts on mittepingestatud, ei indukseerita selles laenguid. Kokkusurumispingu korral indukseeritakse ühes osas positiivsed laengud ja vastupidises osas negatiivsed laengud. Kristalli suurus muutub ohutumaks ja pikemaks kokkusurumispingu tõttu. Venituspingu korral indukseeritakse laengud vastupidises järjekorras kokkusurumispingu suhtes ja kvartsikristall muutub lühemaks ja paksukamaks.
Piezoelektriline transduktor põhineb piezoelektrilise efekti printsiibil. Sõna "piezoelektriline" on tuletatud kreekast sõnast "piezen", mis tähendab pigistada või painutada. Piezoelektriline efekt väidab, et kui mehaanilist pinget või jõudu rakendatakse kvartsikristallile, tekivad selle pinna peal elektrilised laengud. Piezoelektrilist efekti avastasid Pierre ja Jacques Curie. Laengude tootmise kiirus on proportsionaalne mehaanilise pingete muutumiskiirusega, mida rakendatakse. Suurem on pinge, suurem on voltag.
Üks piezoelektrilise efekti unikaalne omadus on, et see on pööratav, st kui sellele rakendatakse voltag, muutub selle dimensioon teatud tasandil, st kvartsikristalli struktuuri panemisel elektrivälja, ta deformeeritakse kvartsikristalli proportsionaalselt elektrivälja tugevusega. Kui sama struktuur panetakse elektrivälja, mille suund on pöördväärtuses, siis deformatsioon on vastupidine.
Kvartsikristall muutub pikemaks rakendatava elektrivälja tõttu.
Kvartsikristall muutub lühemaks rakendatava elektrivälja pöördväärtuse tõttu. See on endaenergia transduktor. Selle töötamiseks ei ole vaja elektrilist voltagilälli. Piezoelektrilise transduktoriga toodetud elektrivool muutub lineaarselt rakendatava pingega või jõuga.
Piezoelektriline transduktor on väga tundlik. Seega, see toimib sensoorina ja kasutatakse kiirendusmittarites oma suure frekventsi vastuse tõttu. Piezoelektriline efekt kasutatakse paljudes rakendustes, mis hõlmavad heli tootmist ja tuvastamist, elektroonilise sageduse tootmist. See toimib sigarettipäästikute süttimise allikana ja kasutatakse sonares, mikrofonides, jõu, rõhu ja deformatsiooni mõõtmisel.
Piezoelektriliste materjalide rakendused
Piezoelektrilisi materjale kasutades, saab piezoelektrilisi transduktoreid kasutada paljudes rakendustes, sealhulgas:
Mikrofoonides, kus helirõhu teisendatakse elektrilise signaalina ja see signaal viimaks amplifitseeritakse, et luua kõrgem heli.
Autode turvalistes ööd, mis lukustuvad vastuseks kiirele aeglustumisele, kasutatakse ka piezoelektrilist materjali.
Seda kasutatakse ka meditsiinilistes diagnostikates.
Seda kasutatakse küünarnike elektrilistes söödijates. Rõhu tekitamine piezoelektrilisel sensoril tekitab elektrilise signaali, mis viimaks põhjustab söödi sündimist.
Seda kasutatakse kõrge kiirusega šokki- ja plahvatuse lainete uurimiseks.
Seda kasutatakse viljakuse ravi.
Seda kasutatakse tintprinterites.
Seda kasutatakse restoranides või lennujaamades, kus inimese astudes ukselähedasse piirkonda, uksekäsk ava uks automaatselt. Selles kasutatav konseptsioon on, et inimese mass tekitab sensorile rõhu, mille tulemuseks on elektrilise efekti tekkimine ja uks ava automaatselt.
Piezoelektriliste materjalide näited
Materjalid on:
Baariumtitanaat.
Leedu zirkoniaat-titanaat (PZT).
Rochelle sool.
Piezoelektriline ultraheli transduktor
See toodab sagedusi, mis on palju kõrgemad, kui need, mida inimese kõrv saab kuulda. See laieneb ja kokku surub kiiresti, kui sellele rakendatakse mingit voltagi. Seda kasutatakse tavaliselt pööripuhujates.
Piezobuzzer
Buzzer on üks, mis toodab heli. Neid käivitatakse oskilleeriva elektronilise tsirkuiti abil. Piezoelektrilist elementi võib käivitada oskilleeriva elektronilise tsirkuiti või mõnda muud audioallikaga, kasutades piezoelektrilist audioversterit. Blink, ring või bip on tavaliselt kasutatavad helid, et näidata, et nupp on vajutatud.
Piezoelektriline buzzer (või piezoelektriline biper) sõltub akustilise kavitatsiooni resonaantsist (või Helmholtzi resonaantsist), et toota auditeeritud beep.
Piezoelektrilise transduktori eelised
