Transduser Piezoeléctrico: Aplikasyon at Prinsipyong Paggana

Ano ang Piezoelectric Transducer

Ang piezoelectric transducer (kilala rin bilang piezoelectric sensor) ay isang aparato na gumagamit ng piezoelectric effect upang sukatin ang mga pagbabago sa pagtatakip, presyon, tensyon, temperatura o puwersa sa pamamagitan ng pagkakonberte ng enerhiyang ito sa elektrikal na kargamento.

Ang transducer ay maaaring anumang bagay na nakakapag-konberte ng isang anyo ng enerhiya sa isa pa. Ang piezoelectric materyal ay isang uri ng transducers. Kapag pinigilan natin ang piezoelectric materyal o inilapat anumang puwersa o presyon, ang transducer ay konberte ang enerhiyang ito sa voltaghe. Ang voltaghe na ito ay isang function ng puwersa o presyon na inilapat dito.

Ang elektrikal na voltaghe na ginawa ng piezoelectric transducer ay maaaring masukat ng madali gamit ang mga instrumento para sa pagsukat ng voltaghe. Dahil ang voltaghe na ito ay isang function ng puwersa o presyon na inilapat dito, maaari nating malaman kung ano ang puwersa/presyon sa pamamagitan ng reading ng voltaghe. Sa ganitong paraan, ang mga pisikal na quantity tulad ng mekanikal na stress o puwersa ay maaaring masukat ng direkta gamit ang piezoelectric transducer.

Piezoelectric Actuator

Ang piezoelectric actuator ay kumikilos sa kabaligtaran ng piezoelectric sensor. Ito ang isa kung saan ang elektrikal na epekto ay magdudulot ng materyal na magdeform i.e. mag-stretch o mag-bend.

Ibig sabihin, sa piezoelectric sensor, kapag inilapat ang puwersa upang i-stretch o i-bend ito, ang elektrikal na potensyal ay ginagawa at sa kabaligtaran, kapag inilapat ang elektrikal na potensyal sa piezoelectric actuator, ito ay deformed i.e. stretched o bend.

Ang piezoelectric transducer ay binubuo ng quartz crystal na gawa mula sa silicon at oxygen na inayos sa crystalline structure (SiO2). Karaniwan, ang unit cell (basic repeating unit) ng lahat ng crystal ay symmetrical ngunit sa piezoelectric quartz crystal, hindi. Ang piezoelectric crystals ay electrically neutral.

Ang mga atom sa loob ng kanila ay maaaring hindi symmetrically arranged ngunit ang kanilang electrical charges ay balanced ibig sabihin ang positive charges ay kanselado ang negative charge. Ang quartz crystal ay may unique na property na gumagawa ng electrical polarity kapag inilapat ang mechanical stress dito sa isang tiyak na plane. Basically, mayroong dalawang uri ng stress. Isa ay compressive stress at ang isa pa ay tensile stress.

Kapag walang stressed quartz, walang charges induce dito. Sa kaso ng compressive stress, ang positive charges ay induced sa isang side at ang negative charges ay induced sa kabilang side. Ang laki ng crystal ay naging mas thin at mas mahaba dahil sa compressive stress. Sa kaso ng tensile stress, ang charges ay induced sa kabaligtaran kumpara sa compressive stress at ang quartz crystal ay naging mas maikli at mas lapad.

Ang piezoelectric transducer ay batay sa principle ng piezoelectric effect. Ang salitang piezoelectric ay nakuha mula sa Greek word piezen, na nangangahulugan ng to squeeze or press. Ang piezoelectric effect ay nagsasaad na kapag inilapat ang mechanical stress o puwersa sa quartz crystal, ginagawa ito ng electrical charges sa ibabaw ng quartz crystal. Ang piezoelectric effect ay natuklasan ni Pierre at Jacques Curie. Ang rate ng charge produced ay proporsyonal sa rate ng pagbabago ng mechanical stress na inilapat dito. Mas mataas ang stress, mas mataas ang voltaghe.

Isa sa mga unique characteristics ng piezoelectric effect ay ito ay reversible ibig sabihin kapag inilapat ang voltaghe sa kanila, sila ay nagbabago ng dimension kasama ng tiyak na plane i.e. ang quartz crystal structure ay inilagay sa electric field, ito ay deform ang quartz crystal sa amount na proporsyonal sa lakas ng electric field. Kung ang parehong structure ay inilagay sa electric field na may reversed direction, ang deformation ay ang kabaligtaran.

Naging mas mahaba ang quartz crystal dahil sa electric field na inilapat

Naging mas maikli ang quartz crystal dahil sa electric field na inilapat sa kabaligtarang direksyon.
Ito ay isang self-generating transducer. Hindi ito nangangailangan ng external electric voltage source para sa operasyon. Ang electric voltaghe na ginawa ng piezoelectric transducer ay linearly varied sa applied stress o puwersa.

Ang piezoelectric transducer ay may mataas na sensitivity. Kaya, ito ay gumagana bilang isang sensor at ginagamit sa accelerometer dahil sa kanyang excellent frequency of response. Ang piezoelectric effect ay ginagamit sa maraming aplikasyon na involve ang production at detection ng sound, electronic frequency generation. Ito ay gumagana bilang isang ignition source para sa cigarette lighter at ginagamit sa sonar, microphone, force, pressure, at displacement measurement

Aplikasyon ng Piezoelectric Materials

Ginagamit ang piezoelectric materials, ang piezoelectric transducers ay maaaring gamitin sa iba't ibang aplikasyon, kabilang ang:

1. Sa microphones, ang sound pressure ay kinokonberte sa isang electric signal at ang signal na ito ay huling amplipika upang lumikha ng mas malaking tunog.

2. Ang automobile seat belts lock sa tugon sa isang rapid deceleration ay ginagawa din gamit ang piezoelectric material.

3. Ito ay ginagamit din sa medical diagnostics.

4. Ito ay ginagamit sa electric lighter na ginagamit sa mga kitchen. Ang presyon na ginawa sa piezoelectric sensor ay lumilikha ng isang electric signal na huling nagdudulot ng flash na sumisindak.

5. Ito ay ginagamit para sa pag-aaral ng high-speed shock waves at blast waves.

6. Ginagamit sa fertility treatment.

7. Ginagamit sa Inkjet printers

8. Ito ay ginagamit din sa restaurants o airports kung saan kapag may tao na lumapit sa pinto at ang pinto ay bukas ng automatic. Sa konocept na ito, kapag may tao na malapit sa pinto, ang presyon ay inilapat sa sensors dahil sa weight ng tao, nagdudulot ng electric effect at ang pinto ay bubukas ng automatic.

Mga Halimbawa ng Piezoelectric Material

Ang mga materyal ay:

1. Barium Titanate.

2. Lead zirconate titanate (PZT).

3. Rochelle salt.

Ang Piezoelectric Ultrasonic Transducer

Ito ay lumilikha ng frequencies na nasa itaas pa ng naririnig ng human ear. Ito ay lumalaki at bumabago nang mabilis kapag inilapat ang anumang voltaghe. Karaniwang ginagamit ito sa vacuum cleaner.

Piezo Buzzer

Ang buzzer ay anumang bagay na lumilikha ng tunog. Sila ay driven ng oscillating electronic circuit. Ang isang piezoelectric element ay maaaring driven ng oscillating electronic circuit o iba pang audio signal source, driven ng piezoelectric audio amplifier. Ang blick, ring, o beep ay karaniwang ginagamit na tunog upang ipakita na isinadya ang isang button.

Ang piezoelectric buzzer (o piezoelectric beeper) ay depende sa acoustic cavity resonance (o Helmholtz resonance) upang lumikha ng audible beep.

Mga Advantages ng Piezoelectric Transducer