Penukar Piezoelektrik: Aplikasi & Prinsip Kerja
Apakah Piezoelectric Transducer
Sebuah piezoelectric transducer (juga dikenali sebagai sensor piezoelektrik) adalah peranti yang menggunakan kesan piezoelektrik untuk mengukur perubahan dalam pecutan, tekanan, tegangan, suhu atau daya dengan menukar tenaga ini kepada muatan elektrik.
Transduser boleh menjadi apa-apa yang menukar satu bentuk tenaga ke bentuk lain. Bahan piezoelektrik adalah salah satu jenis transduser. Apabila kita menekan bahan piezoelektrik ini atau menerapkan sebarang daya atau tekanan, transduser akan menukar tenaga ini kepada voltan. Voltan ini adalah fungsi daripada daya atau tekanan yang diterapkannya.
Voltan elektrik yang dihasilkan oleh transduser piezoelektrik boleh diukur dengan mudah menggunakan instrumen pengukuran voltan. Oleh kerana voltan ini akan menjadi fungsi daripada daya atau tekanan yang diterapkannya, kita dapat menentukan daya/tekanan tersebut melalui bacaan voltan. Dengan cara ini, kuantiti fizikal seperti stres mekanikal atau daya boleh diukur secara langsung dengan menggunakan transduser piezoelektrik.
Piezoelectric Actuator
Aktuator piezoelektrik bertindak dengan cara yang berlawanan dengan sensor piezoelektrik. Ia adalah peranti yang mana kesan elektrik akan menyebabkan bahan itu berubah bentuk, iaitu meregang atau membengkok.
Ini bermaksud dalam sensor piezoelektrik, apabila daya diterapkan untuk meregang atau membengkokkannya, potensial elektrik dihasilkan dan sebaliknya, apabila pada aktuator piezoelektrik, potensial elektrik diterapkan, ia akan berubah bentuk, iaitu meregang atau membengkok.
Transduser piezoelektrik terdiri daripada kristal kuarsa yang dibuat daripada silikon dan oksigen yang disusun dalam struktur kristal (SiO2). Secara umumnya, unit sel (unit pengulangan asas) semua kristal adalah simetri tetapi dalam kristal kuarsa piezoelektrik, ia tidak. Kristal piezoelektrik adalah neutral secara elektrik.
Atom di dalamnya mungkin tidak disusun secara simetri tetapi cas elektrik mereka seimbang, iaitu cas positif membatalkan cas negatif. Kristal kuarsa mempunyai sifat unik untuk menghasilkan polariti elektrik apabila tekanan mekanikal diterapkan kepadanya sepanjang satah tertentu. Secara asas, terdapat dua jenis tekanan. Satu adalah tekanan kompresif dan yang lain adalah tekanan tensil.
Apabila ada kuarsa yang tidak ditekan, tiada cas yang diinduksi padanya. Dalam kes tekanan kompresif, cas positif diinduksi pada satu sisi dan cas negatif diinduksi pada sisi yang berlawanan. Saiz kristal menjadi lebih nipis dan panjang akibat tekanan kompresif. Dalam kes tekanan tensil, cas diinduksi secara berlawanan berbanding tekanan kompresif dan kristal kuarsa menjadi lebih pendek dan gemuk.
Transduser piezoelektrik berdasarkan prinsip kesan piezoelektrik. Perkataan piezoelektrik berasal dari perkataan Greek "piezen", yang bermaksud meremas atau menekan. Kesan piezoelektrik menyatakan bahawa apabila tekanan mekanikal atau daya diterapkan pada kristal kuarsa, ia akan menghasilkan cas elektrik pada permukaan kristal kuarsa. Kesan piezoelektrik ditemui oleh Pierre dan Jacques Curie. Kadar cas yang dihasilkan akan berproporsional dengan kadar perubahan tekanan mekanikal yang diterapkannya. Semakin tinggi tekanan, semakin tinggi voltan.
Salah satu ciri unik kesan piezoelektrik adalah ia boleh dibalik, iaitu apabila voltan diterapkan kepadanya, ia cenderung untuk mengubah dimensi sepanjang satah tertentu, iaitu struktur kristal kuarsa diletakkan dalam medan elektrik, ia akan mendistorsi kristal kuarsa sejumlah yang berproporsional dengan kekuatan medan elektrik. Jika struktur yang sama diletakkan dalam medan elektrik dengan arah medan yang dibalik, deformasi akan berlawanan.
Kristal kuarsa menjadi lebih panjang akibat medan elektrik yang diterapkan
Kristal kuarsa menjadi lebih pendek akibat medan elektrik yang diterapkan dalam arah yang berlawanan.
Ia adalah transduser self-generating. Ia tidak memerlukan sumber voltan elektrik untuk operasinya. Voltan elektrik yang dihasilkan oleh transduser piezoelektrik berubah secara linear terhadap tekanan atau daya yang diterapkannya.
Transduser piezoelektrik mempunyai sensitiviti yang tinggi. Oleh itu, ia berfungsi sebagai sensor dan digunakan dalam accelerometer kerana frekuensi responsnya yang luar biasa. Kesan piezoelektrik digunakan dalam banyak aplikasi yang melibatkan penghasilan dan deteksi bunyi, generasi frekuensi elektronik. Ia bertindak sebagai sumber penyalaan untuk pemantik rokok dan digunakan dalam sonar, mikrofon, pengukuran daya, tekanan, dan perpindahan
Aplikasi Bahan Piezoelektrik
Dengan menggunakan bahan piezoelektrik, transduser piezoelektrik boleh digunakan dalam pelbagai aplikasi, termasuk:
Dalam mikrofon, tekanan bunyi ditukar menjadi isyarat elektrik dan isyarat ini akhirnya diamplifikasi untuk menghasilkan bunyi yang lebih keras.
Tali pinggang automobil dikunci sebagai tindak balas kepada penurunan laju yang cepat juga dilakukan menggunakan bahan piezoelektrik.
Ia juga digunakan dalam diagnosis perubatan.
Ia digunakan dalam pemantik elektrik yang digunakan di dapur. Tekanan yang dibuat pada sensor piezoelektrik mencipta isyarat elektrik yang akhirnya menyebabkan percikan api.
Ia digunakan untuk mengkaji gelombang gegaran laju dan gelombang ledakan.
Digunakan dalam rawatan infertiliti.
Digunakan dalam pencetak inkjet
Ia juga digunakan di restoran atau lapangan terbang di mana apabila seseorang mendekati pintu, pintu tersebut akan terbuka secara automatik. Konsep yang digunakan adalah apabila seseorang berada dekat pintu, tekanan diberikan oleh berat orang tersebut pada sensor, sehingga efek elektrik dihasilkan dan pintu terbuka secara automatik.
Contoh Bahan Piezoelektrik
Bahan-bahan tersebut ialah:
Titanat barium.
Titanat zirkonat plumbum (PZT).
Garam Rochelle.
Transduser Ultrasonik Piezoelektrik
Ia menghasilkan frekuensi yang jauh lebih tinggi daripada yang dapat didengar oleh telinga manusia. Ia meregang dan menguncup dengan cepat apabila dikenakan voltan. Ia biasanya digunakan dalam penyedot debu.
Buzzer Piezoelektrik
Buzzer adalah apa-apa yang menghasilkan bunyi. Mereka dikendalikan oleh litar elektronik berayun. Elemen piezoelektrik mungkin dikendalikan oleh litar elektronik berayun atau sumber isyarat audio lain, dipandu dengan pengamplifier audio piezoelektrik. Suara bip, dering, atau beep biasanya digunakan untuk menunjukkan bahawa butang telah ditekan.
Buzzer piezoelektrik (atau beeper piezoelektrik) bergantung pada resonansi rongga akustik (atau resonansi Helmholtz) untuk menghasilkan bip yang boleh didengar.
Kelebihan Transduser Piezoelektrik
