Transduser Piezoelektrik: Aplikasi & Prinsip Kerja

Electrical4u

Bidang: Listrik Dasar

China

Apa Itu Transduser Piezoelektrik

Transduser piezoelektrik (juga dikenal sebagai sensor piezoelektrik) adalah perangkat yang menggunakan efek piezoelektrik untuk mengukur perubahan percepatan, tekanan, regangan, suhu atau gaya dengan mengubah energi ini menjadi muatan listrik.

Transduser dapat berupa apa saja yang mengubah satu bentuk energi ke bentuk lainnya. Bahan piezoelektrik adalah salah satu jenis transduser. Ketika kita menekan bahan piezoelektrik ini atau menerapkan gaya atau tekanan, transduser akan mengubah energi ini menjadi tegangan. Tegangan ini merupakan fungsi dari gaya atau tekanan yang diterapkannya.

Tegangan listrik yang dihasilkan oleh transduser piezoelektrik dapat dengan mudah diukur menggunakan alat pengukur tegangan. Karena tegangan ini akan menjadi fungsi dari gaya atau tekanan yang diterapkannya, kita dapat menyimpulkan gaya/tekanan tersebut dari pembacaan tegangan. Dengan cara ini, kuantitas fisik seperti stres mekanis atau gaya dapat diukur secara langsung dengan menggunakan transduser piezoelektrik.

Penyusun Piezoelektrik

Penyusun piezoelektrik berperilaku sebaliknya dari sensor piezoelektrik. Ini adalah perangkat di mana efek listrik akan menyebabkan bahan berdeformasi, yaitu meregang atau melengkung.

Artinya, dalam sensor piezoelektrik, ketika gaya diterapkan untuk meregangkan atau melengkungkannya, potensial listrik dihasilkan dan sebaliknya, pada penyusun piezoelektrik, potensial listrik diterapkan sehingga terdeformasi, yaitu meregang atau melengkung.

Transduser piezoelektrik terdiri dari kristal kuarsa yang dibuat dari silikon dan oksigen yang disusun dalam struktur kristalin (SiO2). Secara umum, unit sel (unit pengulangan dasar) dari semua kristal bersifat simetris, tetapi pada kristal kuarsa piezoelektrik, tidak demikian. Kristal piezoelektrik bersifat netral secara listrik.

Atom di dalamnya mungkin tidak disusun secara simetris, tetapi muatan listrik mereka seimbang, artinya muatan positif membatalkan muatan negatif. Kristal kuarsa memiliki sifat unik untuk menghasilkan polaritas listrik ketika stres mekanik diterapkan padanya sepanjang bidang tertentu. Secara dasar, ada dua jenis stres. Yang pertama adalah stres kompresi dan yang kedua adalah stres tarik.

Ketika kuarsa tidak diberi stres, tidak ada muatan yang diinduksi padanya. Dalam kasus stres kompresi, muatan positif diinduksi pada satu sisi dan muatan negatif diinduksi pada sisi yang berlawanan. Ukuran kristal menjadi lebih tipis dan panjang karena stres kompresi. Dalam kasus stres tarik, muatan diinduksi secara berkebalikan dibandingkan dengan stres kompresi, dan kristal kuarsa menjadi lebih pendek dan lebar.

Transduser piezoelektrik didasarkan pada prinsip efek piezoelektrik. Kata piezoelektrik berasal dari kata Yunani piezen, yang berarti meremas atau menekan. Efek piezoelektrik menyatakan bahwa ketika stres mekanik atau gaya diterapkan pada kristal kuarsa, menghasilkan muatan listrik pada permukaan kristal kuarsa. Efek piezoelektrik ditemukan oleh Pierre dan Jacques Curie. Laju muatan yang dihasilkan akan proporsional dengan laju perubahan stres mekanik yang diterapkannya. Semakin tinggi stres, semakin tinggi tegangan.

Salah satu karakteristik unik dari efek piezoelektrik adalah bahwa ia dapat dibalik, artinya ketika tegangan diterapkan padanya, mereka cenderung mengubah dimensi sepanjang bidang tertentu, yaitu struktur kristal kuarsa diletakkan dalam medan listrik, akan mengubah bentuk kristal kuarsa sebanding dengan kekuatan medan listrik. Jika struktur yang sama diletakkan dalam medan listrik dengan arah medan yang dibalik, deformasinya akan berlawanan.

Kristal kuarsa menjadi lebih panjang karena medan listrik yang diterapkan

Kristal kuarsa menjadi lebih pendek karena medan listrik yang diterapkan dalam arah yang berlawanan. Ini adalah transduser yang menghasilkan sendiri. Tidak memerlukan sumber tegangan listrik eksternal untuk operasinya. Tegangan listrik yang dihasilkan oleh transduser piezoelektrik berubah secara linier terhadap stres atau gaya yang diterapkan.

Transduser piezoelektrik memiliki sensitivitas tinggi. Jadi, ia berfungsi sebagai sensor dan digunakan dalam akselerometer karena respons frekuensinya yang luar biasa. Efek piezoelektrik digunakan dalam banyak aplikasi yang melibatkan produksi dan deteksi suara, pembangkitan frekuensi elektronik. Ia berfungsi sebagai sumber pengapian untuk pemantik rokok dan digunakan dalam sonar, mikrofon, pengukuran gaya, tekanan, dan perpindahan.

Aplikasi Bahan Piezoelektrik

Dengan menggunakan bahan piezoelektrik, transduser piezoelektrik dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk:

Dalam mikrofon, tekanan suara diubah menjadi sinyal listrik dan sinyal ini akhirnya diperbesar untuk menghasilkan suara yang lebih keras.
Sabuk pengaman mobil mengunci sebagai respons terhadap perlambatan yang cepat juga dilakukan dengan menggunakan bahan piezoelektrik.
Juga digunakan dalam diagnosis medis.
Digunakan dalam pemantik listrik yang digunakan di dapur. Tekanan pada sensor piezoelektrik menciptakan sinyal listrik yang akhirnya menyebabkan percikan api.
Mereka digunakan untuk mempelajari gelombang kejut berkecepatan tinggi dan gelombang ledakan.
Digunakan dalam pengobatan infertilitas.
Digunakan dalam printer inkjet
Juga digunakan di restoran atau bandara di mana ketika seseorang mendekati pintu, pintu akan terbuka secara otomatis. Dalam hal ini, konsep yang digunakan adalah ketika seseorang mendekati pintu, tekanan diberikan pada sensor karena berat badan orang tersebut, sehingga efek listrik dihasilkan dan pintu terbuka secara otomatis.

Contoh Bahan Piezoelektrik

Bahan-bahan tersebut adalah:

Titanat barium.
Titanat zirkonat timbal (PZT).
Garam Rochelle.

Transduser Ultrasonik Piezoelektrik

Ini menghasilkan frekuensi yang jauh di atas yang dapat didengar oleh telinga manusia. Ia berekspansi dan berkontraksi dengan cepat ketika dikenakan tegangan. Biasanya digunakan dalam penyedot debu.

Piezo Buzzer

Buzzer adalah apa pun yang menghasilkan suara. Mereka didorong oleh rangkaian elektronik osilasi. Elemen piezoelektrik mungkin didorong oleh rangkaian elektronik osilasi atau sumber sinyal audio lainnya, didorong dengan penguat audio piezoelektrik. Suara bip, dering, atau beep biasanya digunakan untuk menunjukkan bahwa tombol telah ditekan.

Buzzer piezoelektrik (atau pengecer piezoelektrik) bergantung pada resonansi rongga akustik (atau resonansi Helmholtz) untuk menghasilkan bunyi bip yang dapat didengar.