ترانزدیوسر پیزو الکتریک: کاربردها و اصل کار

چه چیزی پیزو الکتریک ترانسدوسر است

پیزو الکتریک ترانسدوسر (همچنین به عنوان سنسور پیزو الکتریک شناخته می‌شود) دستگاهی است که از اثر پیزو الکتریک برای اندازه‌گیری تغییرات در شتاب، فشار، تنش، دما یا نیرو با تبدیل این انرژی به بار الکتریکی استفاده می‌کند.

ترانسدوسر می‌تواند هر چیزی باشد که یک نوع از انرژی را به نوع دیگری تبدیل می‌کند. ماده پیزو الکتریک یکی از انواع ترانسدوسرهایی است. وقتی این ماده پیزو الکتریک را فشار می‌دهیم یا هرگونه نیرو یا فشاری به آن وارد می‌کنیم، ترانسدوسر این انرژی را به ولتاژ تبدیل می‌کند. این ولتاژ تابعی از نیرو یا فشار وارد شده به آن است.

ولتاژ تولید شده توسط ترانسدوسر پیزو الکتریک می‌تواند به راحتی با استفاده از دستگاه‌های اندازه‌گیری ولتاژ اندازه‌گیری شود. چون این ولتاژ تابعی از نیرو یا فشار وارد شده به آن است، می‌توانیم با خواندن ولتاژ، نیرو یا فشار وارد شده را استنتاج کنیم. به این ترتیب، مقادیر فیزیکی مانند تنش مکانیکی یا نیرو می‌توانند مستقیماً با استفاده از ترانسدور پیزو الکتریک اندازه‌گیری شوند.

پیزو الکتریک اکتواتور

پیزو الکتریک اکتواتور به طور معکوس عمل می‌کند نسبت به سنسور پیزو الکتریک. این دستگاهی است که در آن اثر الکتریکی باعث تغییر شکل ماده می‌شود یعنی کشیدن یا خم شدن.

به عبارت دیگر، در سنسور پیزو الکتریک، زمانی که نیرویی وارد می‌شود تا آن را کشید یا خم کند، پتانسیل الکتریکی تولید می‌شود و در مقابل، در پیزو الکتریک اکتواتور، زمانی که پتانسیل الکتریکی وارد می‌شود، ماده تغییر شکل می‌دهد یعنی کشیده یا خم می‌شود.

پیزو الکتریک ترانسدوسر شامل بلور کوارتز است که از سیلیکون و اکسیژن در ساختار بلوری (SiO2) تشکیل شده است. به طور کلی، واحد سلولی (واحد تکرار پایه) تمام بلورها متقارن است اما در بلور کوارتز پیزو الکتریک، اینطور نیست. بلورهای پیزو الکتریک الکتریکی خنثی هستند.

ذرات داخل آنها ممکن است به طور متقارن مرتب نشده باشند اما بارهای الکتریکی آنها متعادل هستند یعنی بارهای مثبت بارهای منفی را خنثی می‌کنند. بلور کوارتز دارای ویژگی منحصر به فرد تولید قطبیت الکتریکی زمانی است که تنش مکانیکی به آن وارد می‌شود در طول یک صفحه مشخص. به طور کلی، دو نوع تنش وجود دارد. یکی تنش فشاری و دیگری تنش کششی است.

وقتی کوارتز تحت تنش نباشد، هیچ باری روی آن القا نمی‌شود. در حالت تنش فشاری، بارهای مثبت در یک طرف و بارهای منفی در طرف مقابل القا می‌شوند. اندازه بلور به دلیل تنش فشاری رقیق و طولانی‌تر می‌شود. در حالت تنش کششی، بارها به طور معکوس القا می‌شوند نسبت به تنش فشاری و بلور کوارتز کوتاه‌تر و ضخیم‌تر می‌شود.

پیزو الکتریک ترانسدوسر بر اساس اصل اثر پیزو الکتریک کار می‌کند. واژه پیزو الکتریک از کلمه یونانی "piezen" گرفته شده است که به معنای فشردن یا فشار دادن است. اثر پیزو الکتریک بیان می‌کند که وقتی تنش مکانیکی یا نیرویی به بلور کوارتز وارد می‌شود، بارهای الکتریکی روی سطح بلور کوارتز تولید می‌شود. اثر پیزو الکتریک توسط پیر و جاک کوری کشف شد. نرخ تولید بار متناسب با نرخ تغییر تنش مکانیکی وارد شده است. هرچه تنش بیشتر باشد، ولتاژ بیشتر خواهد بود.

یکی از ویژگی‌های منحصر به فرد اثر پیزو الکتریک این است که قابل برگشت است یعنی وقتی ولتاژ به آن‌ها وارد می‌شود، آن‌ها تمایل دارند که ابعاد خود را در طول یک صفحه مشخص تغییر دهند. اگر ساختار بلور کوارتز در یک میدان الکتریکی قرار داده شود، بلور کوارتز به مقداری متناسب با قدرت میدان الکتریکی تغییر شکل می‌دهد. اگر همان ساختار در یک میدان الکتریکی با جهت میدان معکوس قرار داده شود، تغییر شکل معکوس خواهد بود.

بلور کوارتز به دلیل میدان الکتریکی وارد شده طولانی‌تر می‌شود

بلور کوارتز به دلیل میدان الکتریکی وارد شده در جهت معکوس کوتاه‌تر می‌شود.
این یک ترانسدوسر خودتولید کننده است. نیازی به منبع ولتاژ الکتریکی برای عملکرد ندارد. ولتاژ تولید شده توسط ترانسدوسر پیزو الکتریک به طور خطی با تنش یا نیرو وارد شده تغییر می‌کند.

ترانسدوسر پیزو الکتریک حساسیت بالایی دارد. بنابراین، به عنوان سنسور عمل می‌کند و به دلیل پاسخ فرکانسی عالی‌اش در آکسلرومتر استفاده می‌شود. اثر پیزو الکتریک در بسیاری از کاربردها که شامل تولید و تشخیص صدا، تولید فرکانس الکترونیکی است، استفاده می‌شود. به عنوان منبع ایجاد شعله سیگار، در سونار، میکروفون، اندازه‌گیری نیرو، فشار و جابجایی استفاده می‌شود.

کاربردهای مواد پیزو الکتریک

با استفاده از مواد پیزو الکتریک، ترانسدوسرهای پیزو الکتریک می‌توانند در انواع کاربردها استفاده شوند، از جمله:

1. در میکروفون‌ها، فشار صوتی به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود و این سیگنال در نهایت تقویت می‌شود تا صدای بلندتری تولید کند.

2. در نوارهای ایمنی خودرو، زمانی که سرعت به طور ناگهانی کاهش می‌یابد، نوار ایمنی قفل می‌شود که این کار با استفاده از ماده پیزو الکتریک انجام می‌شود.

3. در تشخیص پزشکی نیز استفاده می‌شود.

4. در روشنکن‌های الکتریکی استفاده می‌شود. فشار وارد شده به سنسور پیزو الکتریک یک سیگنال الکتریکی ایجاد می‌کند که در نهایت باعث روشن شدن شعله می‌شود.

5. برای مطالعه امواج شوکی با سرعت بالا و امواج انفجاری استفاده می‌شود.

6. در درمان بی‌بازداری استفاده می‌شود.

7. در چاپگرهای اینک جت استفاده می‌شود.

8. در رستوران‌ها یا فرودگاه‌ها، وقتی شخص نزدیک در می‌آید، در به طور خودکار باز می‌شود. در اینجا مفهومی استفاده می‌شود که وقتی شخص نزدیک در است، فشار وزن شخص به سنسورها وارد می‌شود که باعث ایجاد اثر الکتریکی می‌شود و در به طور خودکار باز می‌شود.

مثال‌هایی از مواد پیزو الکتریک

مواد عبارتند از:

1. تیتانات باریم.

2. تیتانات زیرکونیوم-سرب (PZT).

3. نمک روشل.

ترانسدوسر پیزو الکتریک فوق صوتی

این دستگاه فرکانس‌هایی تولید می‌کند که بس