Piezoelectrische Transducer: Toepassingen & Werking Principe
Wat is een piezoelektrische transducer
Een piezoelektrische transducer (ook bekend als een piezoelektrische sensor) is een apparaat dat de piezoelektrische effect gebruikt om veranderingen in versnelling, druk, spanning, temperatuur of kracht te meten door deze energie om te zetten in een elektrische lading.
Een transducer kan alles zijn dat één vorm van energie omzet in een andere. Het piezoelektrische materiaal is een soort transducers. Wanneer we dit piezoelektrische materiaal indrukken of er kracht of druk op uitoefenen, zet de transducer deze energie om in spanning. Deze spanning is een functie van de kracht of druk die erop wordt uitgeoefend.
De elektrische spanning die door een piezoelektrische transducer wordt geproduceerd, kan gemakkelijk worden gemeten met spanningsmetingsinstrumenten. Aangezien deze spanning een functie is van de kracht of druk die erop wordt uitgeoefend, kunnen we afleiden wat de kracht/druk was aan de hand van de spanning. Op deze manier kunnen fysieke grootheden zoals mechanische spanning of kracht direct worden gemeten met behulp van een piezoelektrische transducer.
Piezoelektrische actuator
Een piezoelektrische actuator gedraagt zich op de tegengestelde manier van de piezoelektrische sensor. Het is het apparaat waarbij het elektrische effect het materiaal doet vervormen, bijvoorbeeld strekken of buigen.
Dat betekent dat in een piezoelektrische sensor, wanneer er kracht wordt toegepast om het te strekken of te buigen, een elektrisch potentiaalverschil wordt gegenereerd en in tegengestelde richting, wanneer er op een piezoelektrische actuator een elektrisch potentiaalverschil wordt toegepast, wordt het vervormd, dus gestrekt of gebogen.
Een piezoelektrische transducer bestaat uit kwartskristal dat gemaakt is van silicium en zuurstof in een kristallijn structuur (SiO2). Over het algemeen is de eenheidscel (basis herhalende eenheid) van alle kristallen symmetrisch, maar bij piezoelektrisch kwarts is dit niet het geval. Piezoelektrische kristallen zijn elektrisch neutraal.
De atomen binnenin mogen niet symmetrisch zijn gerangschikt, maar hun elektrische ladingen zijn in evenwicht, wat betekent dat positieve ladingen negatieve ladingen compenseren. Het kwartskristal heeft de unieke eigenschap om elektrische polariteit te genereren wanneer er mechanische spanning op wordt uitgeoefend langs een bepaald vlak. Er zijn twee types spanning. De ene is compressieve spanning en de andere is trekspanning.
Wanneer er geen spanning op het onbelaste kwarts wordt uitgeoefend, ontstaan er geen ladingen. Bij compressieve spanning ontstaan positieve ladingen aan één kant en negatieve ladingen aan de andere kant. De kristalgrootte wordt dunner en langer door de compressieve spanning. Bij trekspanning worden de ladingen in tegengestelde richting geïnduceerd ten opzichte van de compressieve spanning en wordt het kwartskristal korter en dikker.
Een piezoelektrische transducer is gebaseerd op het principe van het piezoelektrisch effect. Het woord piezoelektrisch is afgeleid van het Griekse woord piezen, wat 'indrukken' of 'drukken' betekent. Het piezoelektrisch effect stelt dat wanneer mechanische spanning of krachten op kwartskristal worden toegepast, elektrische ladingen op het oppervlak van het kwartskristal worden geproduceerd. Het piezoelektrisch effect werd ontdekt door Pierre en Jacques Curie. Het tempo van de geproduceerde lading zal evenredig zijn met het tempo van de verandering van de mechanische spanning die erop wordt uitgeoefend. Hoe hoger de spanning, hoe hoger de spanning.
Een van de unieke kenmerken van het piezoelektrisch effect is dat het omkeerbaar is, wat betekent dat wanneer er spanning op wordt aangebracht, ze de neiging hebben om de afmetingen te veranderen langs bepaalde vlakken, bijvoorbeeld als de kwartskristalstructuur in een elektrisch veld wordt geplaatst, zal het kwartskristal vervormen in een hoeveelheid die evenredig is met de sterkte van het elektrisch veld. Als dezelfde structuur in een elektrisch veld met de richting van het veld omgekeerd wordt geplaatst, zal de vervorming het tegenovergestelde zijn.
Het kwartskristal wordt langer door het toegepaste elektrisch veld
Het kwartskristal wordt korter door het toegepaste elektrisch veld in omgekeerde richting.
Het is een zelfvoorzienende transducer. Het vereist geen externe spanningsbron voor de werking. De elektrische spanning die door de piezoelektrische transducer wordt geproduceerd, varieert lineair met de toegepaste spanning of kracht.
De piezoelektrische transducer heeft een hoge gevoeligheid. Dus, het fungeert als een sensor en wordt gebruikt in accelerometers vanwege zijn uitstekende frequentierespons. Het piezoelektrisch effect wordt in veel toepassingen gebruikt die het produceren en detecteren van geluid, elektronische frequentiegeneratie betreffen. Het dient als ontstekingsbron voor sigarettenaanstekers en wordt gebruikt in sonar, microfoons, kracht-, druk- en verplaatsingsmeting
Toepassing van piezoelektrische materialen
Met behulp van piezoelektrische materialen kunnen piezoelektrische transducers in verschillende toepassingen worden gebruikt, waaronder:
In microfoons wordt de klankdruk omgezet in een elektrisch signaal en dit signaal wordt uiteindelijk versterkt om een luider geluid te produceren.
Autogordels sluiten in reactie op een snelle vertraging ook met behulp van een piezoelektrisch materiaal.
Het wordt ook gebruikt in medische diagnostiek.
Het wordt gebruikt in elektrische aanstekers die in keukens worden gebruikt. De druk op de piezoelektrische sensor creëert een elektrisch signaal dat uiteindelijk de flits laat ontbranden.
Ze worden gebruikt voor het onderzoeken van hoge snelheids schokgolven en explosiegolven.
Gebruikt in vruchtbaarheidstherapie.
Gebruikt in inkjetprinters
Het wordt ook gebruikt in restaurants of luchthavens waar, wanneer iemand in de buurt van de deur komt, de deur automatisch opengaat. In dit concept wordt gebruikgemaakt van de druk die de persoon op de sensoren uitoefent, waardoor het elektrische effect wordt geproduceerd en de deur automatisch opengaat.
Voorbeelden van piezoelektrische materialen
De materialen zijn :
Bariumtitanate.
Loodzirconatetitanate (PZT).
Rochellesout.
De piezoelektrische ultrasone transducer
Het produceert frequenties die ver boven het gehoorgrens liggen. Het breidt en samentrekt snel wanneer er een spanning op wordt aangebracht. Het wordt meestal gebruikt in een stofzuiger.
Piezo buzzer
Een buzzer is iets dat geluid produceert. Ze worden aangedreven door een oscillerend elektronisch circuit. Een piezoelektrisch element kan worden aangedreven door een oscillerend elektronisch circuit of een ander audiosignaal, aangedreven met een piezoelektrische audioversterker. Een klik, een ringtoon of een piep zijn vaak gebruikte geluiden om aan te geven dat een knop is ingedrukt.
Een piezoelektrische buzzer (of piezoelektrische pieper) is afhankelijk van akoestische resonantie (of Helmholtz-resonantie) om een hoorbare piep te produceren.
