Piezoeletrisk transducer: Anvendelser og arbeidsprinsipp
Hva er en piezoelektrisk transducer
En piezoelektrisk transducer (også kjent som en piezoelektrisk sensor) er et enhet som bruker piezoelektrisk effekt for å måle endringer i akselerasjon, trykk, deformasjon, temperatur eller kraft ved å konvertere denne energien til en elektrisk lading.
En transducer kan være hva som helst som konverterer én form for energi til en annen. Piezoelektrisk materiale er en type transducer. Når vi presser dette piezoelektriske materialet eller påfører noen kraft eller trykk, konverterer transduceren denne energien til spenning. Denne spenningen er en funksjon av kraften eller trykket som er påført den.
Den elektriske spenningen produsert av en piezoelektrisk transducer kan lett måles med spenningsmålingsinstrumenter. Siden denne spenningen vil være en funksjon av kraften eller trykket som er påført den, kan vi slutte på hva kraften/trykket var ut fra spenningmålingen. På denne måten kan fysiske størrelser som mekanisk stress eller kraft måles direkte ved hjelp av en piezoelektrisk transducer.
Piezoelektrisk aktuator
En piezoelektrisk aktuator oppfører seg motsatt en piezoelektrisk sensor. Det er den der elektrisk effekt vil forårsake at materialet deformeres, altså strekkes eller bøyes.
Dette betyr at i en piezoelektrisk sensor, når kraft påføres for å strekke eller bøye den, genereres det en elektrisk potensial, og motsatt, når et piezoelektrisk aktuator får et elektrisk potensial påført, deformeres den, altså strekkes eller bøyes.
En piezoelektrisk transducer består av kvartskrystaller som er laget av silisium og oksygen i krystallstruktur (SiO2). Generelt er enhetskjeden (grunnleggende gjentakende enhet) av alle krystaller symmetrisk, men i piezoelektriske kvartskrystaller er det ikke. Piezoelektriske krystaller er elektrisk nøytrale.
Atomer inne i dem kan ikke være symmetrisk plassert, men deres elektriske ladninger er balansert, altså positive ladninger nullstiller negative ladninger. Kvartskrystallet har den unike egenskapen å generere elektrisk polaritet når mekanisk stress påføres det langs en vis plan. Det finnes to typer stress. En er kompresjonstress og den andre er tensilstress.
Når det er uforstyrret kvarts, induceres ingen ladninger på det. I tilfellet kompresjonstress, induceres positive ladninger på den ene siden og negative ladninger på den motsatte siden. Krystallstørrelsen blir tynnere og lengre på grunn av kompresjonstress. I tilfellet tensilstress, induceres ladninger motsatt sammenlignet med kompresjonstress, og kvartskrystallet blir kortere og fettere.
En piezoelektrisk transducer baserer seg på prinsippet om piezoelektrisk effekt. Ordet piezoelektrisk kommer fra gresk ordet piezen, som betyr å presse eller knekke. Piezoelektrisk effekt sier at når mekanisk stress eller krefter påføres kvartskrystaller, produseres elektriske ladninger på overflaten av kvartskrystaller. Piezoelektrisk effekt ble oppdaget av Pierre og Jacques Curie. Raten for ladning som produseres vil være proporsjonal med raten for endring av mekanisk stress som påføres. Jo høyere stress, jo høyere spenning.
En av de unike karakteristikkene ved piezoelektrisk effekt er at den er reversibel, altså når spenning påføres dem, endrer de dimensjonen langs en viss plan, altså kvartskrystallstrukturen plasseres i et elektrisk felt, vil det deformere kvartskrystallet i en mengde proporsjonal med styrken av det elektriske feltet. Hvis samme struktur plasseres i et elektrisk felt med feltets retning snudd, vil deformasjonen være motsatt.
Kvartskrystaller blir lengre på grunn av det elektriske feltet som er påført
Kvartskrystaller blir kortere på grunn av det elektriske feltet som er påført i motsatt retning.
Det er en selvgenererende transducer. Den trenger ikke eksternt elektrisk spenningskilde for drift. Den elektriske spenningen produsert av piezoelektrisk transducer varierer lineært med påført stress eller kraft.
Piezoelektrisk transducer har høy sensitivitet. Så den fungerer som en sensor og brukes i akselerometer på grunn av dens fremragende frekvensrespons. Piezoelektrisk effekt brukes i mange applikasjoner som involverer produksjon og deteksjon av lyd, elektronisk frekvensgenerering. Den fungerer som en tennestriker for cigaretten og brukes i sonar, mikrofon, kraft, trykk og forskyvningsmåling
Anvendelse av piezoelektriske materialer
Ved hjelp av piezoelektriske materialer kan piezoelektriske transducer brukes i en rekke anvendelser, inkludert:
I mikrofoner konverteres lydtrykk til et elektrisk signal, og dette signalet forsterkes til slutt for å produsere en høyere lyd.
Bilsikkerhetsseler låses i respons til hurtig dekelerasjon gjøres også ved hjelp av et piezoelektrisk materiale.
Det brukes også i medisinsk diagnostikk.
Det brukes i elektrisk tennestriker brukt i kjøkken. Trykket som påføres piezoelektrisk sensor skaper et elektrisk signal som til slutt fører til at flammen tennes.
De brukes for å studere høyhastighets sjokkbølger og eksplosjonsbølger.
Brukes i fertilitetshandtering.
Brukes i blækstrålere
Det brukes også i restauranter eller flyplasser der døren åpner automatisk når en person nærmer seg døren. Konseptet som brukes er at når en person er nær døren, påføres trykket av personens vekt på sensorene, noe som fører til at det elektriske effekten produseres og døren åpner automatisk.
Eksempler på piezoelektriske materialer
Materialene er:
Bariumtitanat.
Lead zirkonat titanat (PZT).
Rochelle salt.
Piezoelektrisk ultralydtransducer
Den produserer frekvenser som ligger langt over det som kan høres av menneskelig øre. Den utvider og kontraherer raskt når den utsattes for noen spenning. Den brukes typisk i damputersuger.
Piezo buzzer
En buzzer er noe som produserer lyd. De drivs av et oscillerende elektronisk krets. Et piezoelektrisk element kan drives av en oscillerende elektronisk krets eller en annen lydsignal kilde, drives med en piezoelektrisk lydforsterker. En blink, en ring, eller en pip er vanligvis brukt lyd for å indikere at en knapp er trykket inn.
En piezoelektrisk buzzer (eller piezoelektrisk beeper) avhenger av akustisk kavitasjonsresonans (eller Helmholtz resonans) for å produsere en hørbart pip.
Fordele med piezoelek
