Pasziv Elektromos Átalakító: Alkalmazások és Működési Elv
Mit az a piezoelektrikus transzducér
A piezoelektrikus transzducér (más néven piezoelektrikus érzékelő) olyan eszköz, amely a piezoelektrikus hatást használja fel, hogy gyorsulás, nyomás, feszültség, hőmérséklet vagy erő változásait mérje, és ezt az energiát elektromos töltéssé alakítsa.
Egy transzducér bármi, ami egy energiaformát másra konvertál. A piezoelektrikus anyag egyfajta transzducér. Ha ezt a piezoelektrikus anyagot elnyomjuk, vagy rá bármilyen erőt vagy nyomást gyakorolunk, a transzducér ezt az energiát feszültséggé alakítja. Ez a feszültség a rágyakorolt erő vagy nyomás függvénye.
A piezoelektrikus transzducér által előállított elektromos feszültséget könnyen meg lehet mérni a feszültség mérő eszközökkel. Mivel ez a feszültség a rágyakorolt erő vagy nyomás függvénye, a feszültség értékéből kiderülhet, milyen erőt vagy nyomást gyakoroltunk. Így mechanikai feszültségek vagy erők közvetlenül mérhetők a piezoelektrikus transzducér segítségével.
Piezoelektrikus aktuátor
A piezoelektrikus aktuátor fordítva viselkedik, mint a piezoelektrikus érzékelő. Azonban itt az elektromos hatás okozza, hogy a anyag deformálódjon, azaz nyúljon vagy hajlítson.
Ez azt jelenti, hogy a piezoelektrikus érzékelő esetén, ha erőt alkalmazunk a nyúlásra vagy hajlításra, akkor elektromos potenciált generál, míg a piezoelektrikus aktuátor esetén, ha elektromos potenciált alkalmazunk, akkor a anyag deformálódik, azaz nyúlik vagy hajlít.
A piezoelektrikus transzducér kristályszilíciumból áll, amely szilíciumból és oxigénből épül fel kristály szerkezetben (SiO2). Általában minden kristály egységcellája (alapvető ismétlődő egység) szimmetrikus, de a piezoelektrikus kvartzkristály nem. A piezoelektrikus kristályok elektrikusan semlegesek.
A benne lévő atomok nem feltétlenül szimmetrikusan vannak elrendezve, de elektromos töltéseik egyensúlyban vannak, azaz a pozitív töltések kiegyenlítik a negatív töltéseket. A kvartzkristálynak van egyedülálló tulajdonsága, hogy elektromos polaritást generál, amikor mechanikai stresszt gyakorolnak rajta bizonyos síkon. Alapvetően két típusú stressz van. Az egyik tömörítő stressz, a másik pedig nyújtó stressz.
Ha nincs stressz, a kvartzon nincsenek indukált töltések. Tömörítő stresszes esetén pozitív töltések indukálódnak az egyik oldalon, és negatív töltések a másikon. A kristály mérete vékonyabbá és hosszabbá válik a tömörítő stressz miatt. Nyújtó stresszes esetén a töltések fordítva indukálódnak, mint a tömörítő stressz esetén, és a kvartzkristály rövidebbé és vastagabbá válik.
A piezoelektrikus transzducér az a piezoelektrikus hatás elvén alapszik. A „piezoelektrikus” szó a görög „piezen” szóból ered, ami „nyomni” vagy „elnyomni” jelent. A piezoelektrikus hatás azt állítja, hogy ha mechanikai stresszt vagy erőt gyakorolunk a kvartzkristályra, akkor elektromos töltéseket generál a kvartzkristály felületén. A piezoelektrikus hatást Pierre és Jacques Curie fedezte fel. A generált töltés mennyisége arányos a mechanikai stressz változási sebességével. Minél nagyobb a stressz, annál nagyobb a feszültség.
A piezoelektrikus hatás egyik egyedi jellemvonása, hogy visszafordítható, azaz amikor feszültséget alkalmaznak rá, akkor a dimenziók változnak bizonyos síkon, azaz a kvartzkristály szerkezetet elektromos mezőbe helyezve, a kvartzkristály formája megváltozik, arányosan a mező erejével. Ha ugyanezt a szerkezetet fordított irányú elektromos mezőbe helyezzük, a deformáció ellenkező lesz.
A kvartzkristály hosszabbá válik az elektromos mező alkalmazása miatt
A kvartzkristály rövidebbé válik, ha fordított irányú elektromos mezőt alkalmaznak.
Ez egy önmagában működő transzducér. Nem igényel külső elektromos feszültség forrását a működéshez. A piezoelektrikus transzducér által előállított elektromos feszültség lineárisan változik a rágyakorolt stressz vagy erővel.
A piezoelektrikus transzducér nagy érzékenységgel rendelkezik. Így érzékelőként működik, és gyorsan reagál a frekvenciákra, így használható akcelerometerekben. A piezoelektrikus hatást számos alkalmazásban használják, például a hang termelésében, detektálásában, elektronikus frekvencia generálásában. Használják dohányzószerszámok gyújtójának forrásaként, sonarban, mikrofonban, erő, nyomás és elmozdulás mérésére.
Piezoelektrikus anyagok alkalmazása
A piezoelektrikus anyagokat használó piezoelektrikus transzducéréket számos alkalmazásban használják, beleértve:
Mikrofonokban a hangnyomás elektromos jeellé alakítódik, és ez a jel végül erősített formában adja ki a hangot.
Az autó ülőhelyi szereztek záratlanul reagálnak a gyors lassulásra, amit piezoelektrikus anyaggal valósítanak meg.
Használják orvosi diagnosztikában is.
Konyhai elektrikus gyújtóiban a piezoelektrikus érzékelőn kifejtett nyomás elektromos jelet generál, ami végül tűzre gyújtja a gázot.
Használják magas sebességű sokkolások és robbanási hullámok tanulmányozására.
Születési kezelésben használják.
Inkjet nyomtatógépekben használják.
Éttermekben vagy repülőtereken, ahol a személy közelebb kerül a kapcsolóhoz, és az ajtó automatikusan kinyílik. Itt a személy súlya nyomást gyakorol a sensorokra, ami elektromos hatást generál, és az ajtó kinyílik.
Piezoelektrikus anyagok példái
Az anyagok:
Bárium titanát.
Cser-zirkón-titanát (PZT).
Rochelle só.
Piezoelektrikus ultrahangos transzducér
Ez olyan frekvenciákat generál, amelyek messze felelnek a humán füle hallási tartományának. Gyorsan kibővül és összenyomódik, amikor bármilyen feszültséget alkalmaznak rá. Tipikusan szállítókészülékekben használják.
Piezoelektrikus csengő
