Piesoelektrinen siirtoväli: Sovellukset ja toimintaperiaate
Mikä on piezoelektrinen transduktori
Piezoelektrinen transduktori (tai piezoelektrinen anturi) on laite, joka käyttää piezoelektrista vaikutusta mittamaan kiihtyvyyden, paineen, venymän, lämpötilan tai voiman muutoksia muuttaen tätä energiaa sähköiseksi varaukseksi.
Transduktori voi olla mikä tahansa, joka muuntaa yhden energiamuodon toiseksi. Piezoelektrinen materiaali on yksi tällainen transduktori. Kun puristamme tätä piezoelektristä materiaalia tai sovelmme siihen voimaa tai painetta, transduktori muuttaa tämän energian jännitteeksi. Tämä jännite on funktiona siihen sovellettua voimaa tai painetta.
Piezoelektrisen transduktorin tuottaman sähköjännitettä voidaan helposti mitata sähköjännitemittareilla. Koska tämä jännite on funktiona siihen sovellettua voimaa tai painetta, voimme päätellä, mikä voima/paine oli jännitteen lukemasta. Näin fysikaaliset suuret, kuten mekaaninen stressi tai voima, voidaan mitata suoraan piezoelektrisen transduktorin avulla.
Piezoelektrinen aktuaattori
Piezoelektrinen aktuaattori toimii päinvastaisella tavalla kuin piezoelektrinen anturi. Se on sellainen, jossa sähkövaikutus aiheuttaa materiaalin muodostumisen, eli venymisen tai taipumisen.
Tämä tarkoittaa, että piezoelektrisessä anturissa, kun voimaa sovelletaan venytettäväksi tai taiputtavaksi, sähköinen potentiaali syntyy, ja päinvastoin, kun piezoelektriseen aktuaattoriin sovelletaan sähköpotentiaalia, se muodostuu, eli venyy tai taipuu.
Piezoelektrinen transduktori koostuu kvartsi-kristallista, joka on tehty silikan ja hapon siivuksessa (SiO2). Yleensä kaikkien kristallien perusyksikkö (toistuva yksikkö) on symmetrinen, mutta piezoelektrisessä kvartsi-kristallisessa se ei ole. Piezoelektriset kristalit ovat sähköisesti neutraaleja.
Atomit niissä eivät välttämättä ole symmetrisesti järjestettyjä, mutta niiden sähköiset varaukset ovat tasapainossa, eli positiiviset varaukset tasoittavat negatiiviset varaukset. Kvartsi-kristalli on erityinen ominaisuus sähköisen polariteetin tuottamisessa, kun mekaanista stressiä sovelletaan tietylle tasolle. Periaatteessa on kaksi stressityyppiä. Toisaalta on puristava stressi ja toisaalta vedennysstressi.
Kun kvartsi on epästressoitunut, siihen ei aiheudu varauksia. Puristavan stressin tapauksessa positiiviset varaukset aiheutetaan yhdelle puolelle ja negatiiviset vastakkaiselle puolelle. Kristallin koko tulee ohuemaksi ja pidemmäksi puristavan stressin vuoksi. Vedennysstressin tapauksessa varaukset aiheutetaan päinvastaiseen verrattuna puristavan stressin tapaukseen, ja kvartsi-kristalli tulee lyhyemmäksi ja leveämmäksi.
Piezoelektrinen transduktori perustuu piezoelektriseen vaikutukseen. Sana piezoelektrinen on johdettu kreikan sanasta piezen, joka tarkoittaa puristaa tai painaa. Piezoelektrinen vaikutus tarkoittaa, että kun mekaanista stressiä tai voimia sovelletaan kvartsi-kristalliin, ne tuottavat sähköisiä varauksia kvartsi-kristallin pinnalle. Piezoelektrinen vaikutus on löytynyt Pierre't ja Jacques Curie'ltä. Varauksien tuotannon nopeus on suhteessa sovellettavan mekaanisen stressin muutoksen nopeuteen. Korkeampi stressi tarkoittaa korkeampaa jännitettä.
Yksi piezoelektrisen vaikutuksen ainutlaatuinen piirre on, että se on käänteinen, eli kun sähköjännitettä sovelletaan niihin, ne muuttuvat ulottuvuudeltaan tietyllä tasolla, eli kvartsi-kristallin rakenne sijoitetaan sähkökenttään, se muuntaa kvartsi-kristallin määrässä, joka on verrannollinen sähkökentän vahvuuteen. Jos sama rakenne sijoitetaan sähkökenttään, jonka suunta on käänteinen, muutos on päinvastainen.
Kvartsi-kristalli tulee pidemmäksi sähkökentän soveltamisen vuoksi
Kvartsi-kristalli tulee lyhyemmäksi sähkökentän soveltamisen vuoksi käänteisessä suunnassa. Se on itse generoiva transduktori. Sen toimintaan ei tarvita ulkoista sähköjännitteitä. Piezoelektrisen transduktorin tuottama sähköjännite vaihtelee lineaarisesti sovellettavaan stressiin tai voimaan.
Piezoelektrinen transduktori on herkkä. Siksi se toimii anturina ja käytetään kiihtyvyysmittariin sen erinomaisen taajuseron takia. Piezoelektrinen vaikutus käytetään monissa sovelluksissa, jotka sisältävät äänen tuotannon ja havaitsemisen, elektronisen taajuuden tuotannon. Se toimii sytytyslähteenä tupakka-sytyttimissä ja käytetään sonarissa, mikrofoneissa, voiman, paineen ja siirtymän mittaamiseen.
Piezoelektristen materiaalien sovellukset
Piezoelektrisiä materiaaleja käyttäen, piezoelektrisiä transduktoreita voidaan käyttää monissa sovelluksissa, mukaan lukien:
Mikrofoneissa äänipaine muunnetaan sähköiseksi signaaliksi, ja tämä signaali lopulta vahvistetaan tuottamaan kovaampi ääni.
Auton turvavyöt lukitetaan nopean hidastumisen reaktiossa myös piezoelektrisen materiaalin avulla.
Se käytetään myös lääketieteellisiin diagnostiikkaan.
Se käytetään keittiön sähköisessä sytyttimessä. Paine, joka tehdään piezoelektriseen anturiin, luo sähköisen signaalin, joka lopulta aiheuttaa liekin syttyvän.
Niitä käytetään nopeiden shock- ja räjähdysaallojen tutkimiseen.
Käytetään hedelmällisyyshoitoon.
Käytetään inkjet-tulostimiin.
Sitä käytetään myös ravintoloissa tai lentokentillä, kun henkilö astuu oven lähelle ja ovi avautuu automaattisesti. Tässä käytetään ajatusta, että kun henkilö on oven lähellä, hänen paineensa aiheuttaa sähköisen vaikutuksen, joka avaa oven automaattisesti.
Piezoelektristen materiaalien esimerkkejä
Materiaaleja ovat:
Baariumtitaniaatti.
Lyijytsirkoniaattititaniaatti (PZT).
Rochellen suola.
Piezoelektrinen ultraviolettinen transduktori
Se tuottaa taajuudet, jotka ovat huomattavasti ylemmällä kuin ihmisen korva voi kuulla. Se laajenee ja kutistuu nopeasti, kun sitä asetetaan jännitteeseen. Sitä käytetään yleensä imurissa.
Piezo-helmu
Helmu on mikä tahansa, joka tuottaa ääntä. Ne ohjataan heilahtelevan sähkökäytännön avulla. Piezoelektrinen elementti voi ohjautua heilahtelevan sähkökäytännön tai toisen äänisignaalin lähde, ohjautuen piezoelektrisellä äänivahvistimella. Pieni klikki, sointi tai bippi ovat yleisiä ääniä, joita käytetään ilmaisemaan, että nappia on painettu.
Piezoelektrinen helmuri (tai piezoelektrinen bippiri) perustuu akustiseen kammioresonanssiin (tai Helmholtzin resonanssiin) tuottaakseen kuultavan bipin.
