ترانسفورماتور پیزوالکتریک: کاربردها و اصل کار

پیزوالکتریک ترانسدوسر چیست؟

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

یک ترانسدوسر هر چیزی می‌تواند باشد که یک نوع انرژی را به نوع دیگری تبدیل کند. ماده پیزوالکتریک یکی از گونه‌های ترانسدورها است. وقتی این ماده پیزوالکتریک 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 الکتریکی تولید شده توسط یک ترانسدوسر پیزوالکتریک می‌تواند به راحتی با وسایل اندازه‌گیری ولتاژ اندازه‌گیری شود. چون این ولتاژ تابعی از نیرو یا فشار وارد شده به آن است، می‌توانیم با خواندن ولتاژ، نیرو/فشار را استنتاج کنیم. به این ترتیب، مقادیر فیزیکی مانند تنش مکانیکی یا نیرو می‌توانند مستقیماً با استفاده از یک ترانسدوسر پیزوالکتریک اندازه‌گیری شوند.

پیزوالکتریک اکتواتور

پیزوالکتریک اکتواتور به طور معکوس عملکرد یک حسگر پیزوالکتریک را دارد. این دستگاهی است که در آن اثر الکتریکی باعث تغییر شکل ماده می‌شود یعنی کشش یا خم شدن.

این بدان معناست که در یک حسگر پیزوالکتریک، وقتی نیرویی وارد می‌شود تا آن را کشش یا خم کند، یک پتانسیل الکتریکی تولید می‌شود و در مقابل، وقتی در یک پیزوالکتریک اکتواتور یک پتانسیل الکتریکی وارد می‌شود، آن تغییر شکل می‌یابد یعنی کشیده یا خم می‌شود.

یک ترانسدوسر پیزوالکتریک شامل بلور کوارتز است که از سیلیکون و اکسیژن در ساختار بلوری (SiO2) ساخته شده است. به طور کلی، واحد سلول (واحد تکرار پایه) تمام بلورها متقارن است اما در بلور کوارتز پیزوالکتریک، این چنین نیست. بلورهای پیزوالکتریک برق‌نیک هستند.

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

وقتی کوارتز بدون فشار است، هیچ باری روی آن القاء نمی‌شود. در صورت فشار فشرده، بارهای مثبت در یک طرف و بارهای منفی در طرف مقابل القاء می‌شوند. اندازه بلور به دلیل فشار فشرده نازک‌تر و طولانی‌تر می‌شود. در صورت فشار کششی، بارهای القاء شده در مقایسه با فشار فشرده عکس می‌شوند و بلور کوارتز کوتاه‌تر و ضخیم‌تر می‌شود.

یک ترانسدوسر پیزوالکتریک بر اساس اصل اثر پیزوالکتریک است. واژه پیزوالکتریک از کلمه یونانی "پیزن" که به معنای فشار دادن یا گرفتن است، گرفته شده است. اثر پیزوالکتریک بیان می‌کند که هنگامی که فشار یا نیروهای مکانیکی به بلور کوارتز وارد می‌شود، بارهای الکتریکی روی سطح بلور کوارتز تولید می‌شود. اثر پیزوالکتریک توسط پیر و ژاک کوری کشف شد. نرخ تولید بار متناسب با نرخ تغییر فشار مکانیکی وارد شده به آن است. فشار بیشتر ولتاژ بیشتر را تولید می‌کند.

یکی از ویژگی‌های منحصر به فرد اثر پیزوالکتریک این است که قابل برگشت است یعنی هنگامی که ولتاژ به آن‌ها وارد می‌شود، آن‌ها تمایل دارند ابعاد خود را در طول یک صفحه خاص تغییر دهند یعنی اگر ساختار بلور کوارتز در یک میدان الکتریکی قرار گیرد، بلور کوارتز تغییر شکل می‌دهد به مقداری متناسب با قدرت میدان الکتریکی. اگر همان ساختار در یک میدان الکتریکی با جهت میدان معکوس قرار گیرد، تغییر شکل عکس خواهد شد.

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 خود تولید کننده است. نیازی به منبع ولتاژ الکتریکی برای عملکرد ندارد. ولتاژ الکتریکی تولید شده توسط ترانسدوسر پیزوالکتریک به طور خطی با فشار یا نیرو وارد شده تغییر می‌کند.

ترانسدوسر پیزوالکتریک حساسیت بالایی دارد. بنابراین، به عنوان حسگر عمل می‌کند و به دلیل پاسخ فرکانسی عالی خود در شتاب‌سنج استفاده می‌شود. اثر پیزوالکتریک در بسیاری از کاربردهایی که شامل تولید و تشخیص صدا، تولید فرکانس الکترونیکی است، استفاده می‌شود. به عنوان منبع روشن‌کننده برای دستگاه روشن‌کننده سیگار، در سونار، میکروفون، اندازه‌گیری نیرو، فشار و جابجایی استفاده می‌شود.

کاربردهای مواد پیزوالکتریک

با استفاده از مواد پیزوالکتریک، ترانسدورهای پیزوالکتریک 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. حاشیه‌های ایمنی ماشین‌ها در پاسخ به ترمز سریع نیز با استفاده از ماده پیزوالکتریک قفل می‌شوند.

3. این ماده نیز در تشخیص پزشکی استفاده می‌شود.

4. در روشن‌کننده‌های الکتریکی استفاده شده در آشپزخانه. فشار وارد شده به حسگر پیزوالکتریک یک سیگنال الکتریکی ایجاد می‌کند که در نهایت باعث روشن شدن شعله می‌شود.

5. آن‌ها برای مطالعه امواج شوک سریع و امواج انفجاری استفاده می‌شوند.

6. در درمان باروری استفاده می‌شود.

7. در چاپگرهای جت‌چاپ استفاده می‌شود.

8. همچنین در رستوران‌ها یا فرودگاه‌ها که وقتی شخص نزدیک درب می‌شود و درب به طور خودکار باز می‌شود. در این مورد مفهوم استفاده شده این است که وقتی شخص نزدیک درب است، فشاری به حسگر وارد می‌شود که به دلیل وزن شخص، اثر الکتریکی ایجاد می‌شود و درب به طور خودکار باز می‌شود.

نمونه‌های ماده پیزوالکتریک

مواد عبارتند از:

1. تیتانات باریوم.