Transducteur piézoélectrique : Applications et principe de fonctionnement

Qu'est-ce qu'un transducteur piézoélectrique

Un transducteur piézoélectrique (également connu sous le nom de capteur piézoélectrique) est un dispositif qui utilise l'effet piézoélectrique pour mesurer les variations d'accélération, de pression, de contrainte, de température ou de force en convertissant cette énergie en une charge électrique.

Un transducteur peut être n'importe quoi qui convertit une forme d'énergie en une autre. Le matériau piézoélectrique est un type de transducteurs. Lorsque nous comprimons ce matériau piézoélectrique ou appliquons une force ou une pression, le transducteur convertit cette énergie en tension. Cette tension est une fonction de la force ou de la pression appliquée.

La tension électrique produite par un transducteur piézoélectrique peut être facilement mesurée par des instruments de mesure de tension. Puisque cette tension sera une fonction de la force ou de la pression appliquée, nous pouvons déduire quelle était la force/pression en lisant la tension. De cette manière, des quantités physiques comme le stress mécanique ou la force peuvent être mesurées directement en utilisant un transducteur piézoélectrique.

Actionneur piézoélectrique

Un actionneur piézoélectrique se comporte à l'inverse d'un capteur piézoélectrique. C'est celui dans lequel l'effet électrique provoquera la déformation du matériau, c'est-à-dire son allongement ou son pliage.

Cela signifie qu'un capteur piézoélectrique, lorsqu'une force est appliquée pour l'allonger ou le plier, génère un potentiel électrique et à l'inverse, sur un actionneur piézoélectrique, un potentiel électrique est appliqué, il se déforme, c'est-à-dire s'allonge ou se plie.

Un transducteur piézoélectrique est composé de cristal de quartz fabriqué à partir de silicium et d'oxygène disposés en structure cristalline (SiO2). Généralement, la maille unitaire (unité de base répétitive) de tous les cristaux est symétrique, mais dans le cristal de quartz piézoélectrique, ce n'est pas le cas. Les cristaux piézoélectriques sont électriquement neutres.

Les atomes à l'intérieur d'eux peuvent ne pas être disposés symétriquement, mais leurs charges électriques sont équilibrées, ce qui signifie que les charges positives annulent les charges négatives. Le cristal de quartz a la propriété unique de générer une polarité électrique lorsque des contraintes mécaniques sont appliquées le long d'un certain plan. Il existe essentiellement deux types de contraintes. L'une est la contrainte compressive et l'autre est la contrainte de traction.

Lorsqu'il y a un quartz non soumis à des contraintes, aucune charge n'est induite. Dans le cas d'une contrainte compressive, des charges positives sont induites d'un côté et des charges négatives sont induites de l'autre côté. La taille du cristal devient plus fine et plus longue en raison de la contrainte compressive. Dans le cas d'une contrainte de traction, les charges sont induites en sens inverse par rapport à la contrainte compressive et le cristal de quartz devient plus court et plus épais.

Un transducteur piézoélectrique est basé sur le principe de l'effet piézoélectrique. Le mot piézoélectrique est dérivé du mot grec piezen, qui signifie serrer ou presser. L'effet piézoélectrique stipule que lorsqu'une contrainte mécanique ou des forces sont appliquées sur un cristal de quartz, des charges électriques sont produites à la surface du cristal de quartz. L'effet piézoélectrique a été découvert par Pierre et Jacques Curie. Le taux de charge produite sera proportionnel au taux de changement de la contrainte mécanique appliquée. Plus la contrainte sera élevée, plus la tension sera élevée.

Une des caractéristiques uniques de l'effet piézoélectrique est qu'il est réversible, ce qui signifie que lorsqu'une tension est appliquée, ils tendent à changer de dimension le long d'un certain plan, c'est-à-dire que la structure du cristal de quartz placée dans un champ électrique se déformera proportionnellement à l'intensité du champ électrique. Si la même structure est placée dans un champ électrique avec la direction du champ inversée, la déformation sera l'opposée.

Le cristal de quartz devient plus long en raison du champ électrique appliqué

Le cristal de quartz devient plus court en raison du champ électrique appliqué dans le sens inverse.
C'est un transducteur autogénératif. Il n'a pas besoin d'une source de tension électrique pour fonctionner. La tension électrique produite par le transducteur piézoélectrique varie linéairement selon la contrainte ou la force appliquée.

Le transducteur piézoélectrique a une grande sensibilité. Il agit donc comme un capteur et est utilisé dans les accéléromètres en raison de sa fréquence de réponse excellente. L'effet piézoélectrique est utilisé dans de nombreuses applications impliquant la production et la détection de sons, la génération de fréquences électroniques. Il sert de source d'allumage pour les briquets et est utilisé dans les sonars, les microphones, la mesure de la force, de la pression et du déplacement.

Applications des matériaux piézoélectriques

En utilisant des matériaux piézoélectriques, les transducteurs piézoélectriques peuvent être utilisés dans une variété d'applications, notamment :

1. Dans les microphones, la pression sonore est convertie en un signal électrique, qui est finalement amplifié pour produire un son plus fort.

2. Les ceintures de sécurité des voitures se verrouillent en réponse à un décélération rapide, également réalisée à l'aide d'un matériau piézoélectrique.

3. Il est également utilisé en diagnostic médical.

4. Il est utilisé dans les allumeurs électriques utilisés en cuisine. La pression exercée sur le capteur piézoélectrique crée un signal électrique qui finalement provoque l'allumage de la flamme.

5. Ils sont utilisés pour l'étude des ondes de choc à haute vitesse et des ondes de déflagration.

6. Utilisé dans le traitement de la fertilité.

7. Utilisé dans les imprimantes à jet d'encre.

8. Il est également utilisé dans les restaurants ou les aéroports où, lorsqu'une personne s'approche de la porte, celle-ci s'ouvre automatiquement. Dans ce concept, lorsque une personne est près de la porte, la pression est exercée par le poids de la personne sur les capteurs, ce qui produit un effet électrique et la porte s'ouvre automatiquement.

Exemples de matériaux piézoélectriques

Les matériaux sont :

1. Titane de baryum.

2. Zirconate de plomb titane (PZT).

3. Sel de Rochelle.

Transducteur ultrasonore piézoélectrique

Il produit des fréquences bien supérieures à celles qui peuvent être entendues par l'oreille humaine. Il se dilate et se contracte rapidement lorsqu'il est soumis à une tension. Il est généralement utilisé dans les aspirateurs.

Buzzer piézoélectrique

Un buzzer est tout ce qui produit un son. Ils sont alimentés par un circuit électronique oscillant. Un élément piézoélectrique peut être alimenté par un circuit électronique oscillant ou une autre source de signal audio, alimenté avec un amplificateur audio piézoélectrique. Un bip, un tintement ou un bourdonnement sont couramment utilisés pour indiquer qu'un bouton a été pressé.

Un buzzer piézoélectrique (ou beeper piézoélectrique) dépend de la résonance de la cavité acoustique (ou résonance de Helmholtz) pour produire un bip audible.

Avantages du transducteur piézoélectrique