Trasmettitore piezoelettrico: applicazioni e principio di funzionamento
Cosa è un Trasduttore Piezoelettrico
Un trasduttore piezoelettrico (noto anche come sensore piezoelettrico) è un dispositivo che utilizza l'effetto piezoelettrico per misurare variazioni di accelerazione, pressione, deformazione, temperatura o forza, convertendo queste energie in una carica elettrica.
Un trasduttore può essere qualsiasi cosa che converte una forma di energia in un'altra. Il materiale piezoelettrico è un tipo di trasduttore. Quando premiamo questo materiale piezoelettrico o applichiamo una forza o una pressione, il trasduttore converte questa energia in tensione. Questa tensione è una funzione della forza o della pressione applicata.
La tensione elettrica prodotta da un trasduttore piezoelettrico può essere facilmente misurata con strumenti di misura della tensione. Poiché questa tensione sarà una funzione della forza o della pressione applicata, possiamo dedurre quale sia stata la forza o la pressione dalla lettura della tensione. In questo modo, quantità fisiche come lo stress meccanico o la forza possono essere misurate direttamente utilizzando un trasduttore piezoelettrico.
Attuatore Piezoelettrico
Un attuatore piezoelettrico si comporta in modo inverso rispetto al sensore piezoelettrico. È quello in cui l'effetto elettrico provoca la deformazione del materiale, cioè lo allunga o lo piega.
Ciò significa che in un sensore piezoelettrico, quando viene applicata una forza per allungarlo o piegarlo, viene generato un potenziale elettrico, mentre in un attuatore piezoelettrico, quando viene applicato un potenziale elettrico, esso si deforma, cioè si allunga o si piega.
Un trasduttore piezoelettrico è composto da un cristallo di quarzo, realizzato da silicio e ossigeno disposti in una struttura cristallina (SiO2). Generalmente, l'unità cellulare (unità di base ripetitiva) di tutti i cristalli è simmetrica, ma nel caso del cristallo di quarzo piezoelettrico, non lo è. I cristalli piezoelettrici sono elettricamente neutri.
Gli atomi all'interno di essi possono non essere disposti simmetricamente, ma le loro cariche elettriche sono bilanciate, ovvero le cariche positive annullano le cariche negative. Il cristallo di quarzo ha la proprietà unica di generare polarità elettrica quando vi viene applicato uno stress meccanico lungo un certo piano. Ci sono due tipi di stress: uno è lo stress compressivo e l'altro è lo stress tensile.
Quando c'è un quarzo non sollecitato, non vengono indotte cariche su di esso. Nel caso di stress compressivo, vengono indotte cariche positive su un lato e cariche negative sull'altro lato. La dimensione del cristallo si assottiglia e allunga a causa dello stress compressivo. Nel caso di stress tensile, le cariche vengono indotte in modo inverso rispetto allo stress compressivo e il cristallo di quarzo diventa più corto e più largo.
Un trasduttore piezoelettrico si basa sul principio dell'effetto piezoelettrico. La parola piezoelettrico deriva dalla parola greca "piezen", che significa schiacciare o premere. L'effetto piezoelettrico afferma che quando vengono applicati stress meccanici o forze su un cristallo di quarzo, vengono prodotte cariche elettriche sulla superficie del cristallo. L'effetto piezoelettrico è stato scoperto da Pierre e Jacques Curie. Il tasso di produzione di cariche sarà proporzionale al tasso di cambiamento dello stress meccanico applicato. Maggiore sarà lo stress, maggiore sarà la tensione.
Una delle caratteristiche uniche dell'effetto piezoelettrico è che è reversibile, quindi quando viene applicata una tensione, tendono a modificare la dimensione lungo un certo piano, ovvero se la struttura del cristallo di quarzo è posta in un campo elettrico, esso si deformerà in proporzione alla forza del campo elettrico. Se la stessa struttura è posta in un campo elettrico con la direzione del campo invertita, la deformazione sarà opposta.
Il cristallo di quarzo diventa più lungo a causa del campo elettrico applicato
Il cristallo di quarzo diventa più corto a causa del campo elettrico applicato in direzione inversa. È un trasduttore autogenerante. Non richiede una fonte di tensione elettrica per funzionare. La tensione elettrica prodotta dal trasduttore piezoelettrico varia linearmente rispetto allo stress o alla forza applicata.
Il trasduttore piezoelettrico ha una alta sensibilità. Pertanto, agisce come un sensore ed è utilizzato nell'accelerometro grazie alla sua eccellente risposta di frequenza. L'effetto piezoelettrico è utilizzato in molte applicazioni che coinvolgono la produzione e la rilevazione del suono, la generazione di frequenze elettroniche. Agisce come fonte di accensione per gli accendini elettrici e viene utilizzato nei sonar, microfoni, misuratori di forza, pressione e spostamento.
Applicazioni dei Materiali Piezoelettrici
Utilizzando materiali piezoelettrici, i trasduttori piezoelettrici possono essere utilizzati in una varietà di applicazioni, tra cui:
Nei microfoni, la pressione sonora viene convertita in un segnale elettrico e questo segnale viene amplificato per produrre un suono più forte.
Le cinture di sicurezza degli automobili si bloccano in risposta a una rapida decelerazione, utilizzando un materiale piezoelettrico.
Viene utilizzato anche in diagnosi mediche.
Viene utilizzato negli accendini elettrici usati in cucina. La pressione esercitata sul sensore piezoelettrico genera un segnale elettrico che fa scattare la fiamma.
Vengono utilizzati per studiare onde d'urto ad alta velocità e onde d'urto esplosive.
Utilizzato nella terapia della fertilità.
Utilizzato nelle stampanti a getto d'inchiostro.
Viene utilizzato anche in ristoranti o aeroporti, dove quando una persona si avvicina alla porta, questa si apre automaticamente. In questo caso, il concetto utilizzato è che, quando una persona è vicino alla porta, la pressione esercitata dal peso della persona sui sensori produce un effetto elettrico e la porta si apre automaticamente.
Esempi di Materiali Piezoelettrici
I materiali sono:
Titanato di bario.
Zirconato titanato di piombo (PZT).
Sale di Rochelle.
Trasduttore Ultrasonico Piezoelettrico
Produce frequenze ben superiori a quelle udibili dall'orecchio umano. Si espande e si contrae rapidamente quando soggetto a qualsiasi tensione. Viene tipicamente utilizzato in aspirapolvere.
Buzzer Piezoelettrico
Un buzzer è qualsiasi cosa che produca suono. Sono alimentati da circuiti elettronici oscillanti. Un elemento piezoelettrico può essere alimentato da un circuito elettronico oscillante o da un'altra sorgente di segnale audio, alimentato con un amplificatore audio piezoelettrico. Un bip, un trillo o un beep sono suoni comunemente utilizzati per indicare che un pulsante è stato premuto.
Un buzzer piezoelettrico (o beeper piezoelettrico) dipende dalla risonanza della cavità acustica (o risonanza di Helmholtz) per produrre un bip udibile.
Vantaggi del Trasduttore Piezoelettrico
