Przetwornik piezoelektryczny: Zastosowania i zasada działania

Electrical4u

Pole: Podstawowe Elektryka

China

Co to jest piezoelektryczny przetwornik

Piezoelektryczny przetwornik (znany również jako piezoelektryczny czujnik) to urządzenie wykorzystujące efekt piezoelektryczny do pomiaru zmian w przyspieszeniu, ciśnieniu, naprężeniu, temperaturze lub sile poprzez konwersję tej energii na ładunek elektryczny.

Przetwornikiem może być cokolwiek, co przekształca jedną formę energii w inną. Materiał piezoelektryczny to jeden z rodzajów przetworników. Gdy naciskamy materiał piezoelektryczny lub poddajemy go jakiejś sile lub ciśnieniu, przetwornik konwertuje tę energię na napięcie. To napięcie jest funkcją siły lub ciśnienia przyłożonego do niego.

Napięcie elektryczne wytworzone przez piezoelektryczny przetwornik można łatwo zmierzyć za pomocą instrumentów do pomiaru napięcia. Ponieważ to napięcie będzie funkcją siły lub ciśnienia przyłożonego do niego, możemy wnioskować, jaka była ta siła/ciśnienie na podstawie odczytu napięcia. W ten sposób可以直接翻译为波兰语，以下是完整的翻译结果： ```html

Co to jest piezoelektryczny przetwornik

Napięcie elektryczne wytworzone przez piezoelektryczny przetwornik można łatwo zmierzyć za pomocą instrumentów do pomiaru napięcia. Ponieważ to napięcie będzie funkcją siły lub ciśnienia przyłożonego do niego, możemy wnioskować, jaka była ta siła/ciśnienie na podstawie odczytu napięcia. W ten sposób fizyczne wielkości, takie jak mechaniczne naprężenia lub siły, mogą być bezpośrednio mierzone za pomocą piezoelektrycznego przetwornika.

Piezoelektryczny aktuator

Piezoelektryczny aktuator zachowuje się odwrotnie niż piezoelektryczny czujnik. Jest to urządzenie, w którym efekt elektryczny powoduje deformację materiału, czyli jego rozciąganie lub gięcie.

To oznacza, że w przypadku piezoelektrycznego czujnika, gdy siła jest zastosowana do rozciągnięcia lub ugięcia, generowany jest potencjał elektryczny, a w przypadku piezoelektrycznego aktuatora, gdy zastosowany jest potencjał elektryczny, materiał jest deformowany, czyli rozciągnięty lub ugięty.

Piezoelektryczny przetwornik składa się z kryształu kwarcowego, który jest wykonany z krzemu i tlenu ułożonych w strukturze krystalicznej (SiO₂). Ogólnie rzecz biorąc, komórka jednostkowa (podstawowa powtarzalna jednostka) wszystkich kryształów jest symetryczna, ale w przypadku piezoelektrycznego kryształu kwarcowego nie jest. Kryształy piezoelektryczne są elektrycznie neutralne.

Atomy wewnątrz nich mogą nie być symetrycznie ułożone, ale ich ładunki elektryczne są zbilansowane, co oznacza, że ładunki dodatnie zrównoważone są z ładunkami ujemnymi. Kryształ kwarcowy ma unikalną właściwość generowania polaryzacji elektrycznej, gdy nań zostanie nałożone mechaniczne napięcie wzdłuż pewnej płaszczyzny. Istnieją dwa rodzaje napięć. Jedno to napięcie ściskające, a drugie to napięcie rozciągające.

Gdy kwarc jest niesprężysty, nie indukują się na nim ładunki. W przypadku napięcia ściskającego, pozytywne ładunki indukują się po jednej stronie, a ujemne ładunki po przeciwnej stronie. Wielkość kryształu staje się cieńsza i dłuższa z powodu napięcia ściskającego. W przypadku napięcia rozciągającego, ładunki indukują się odwrotnie w porównaniu do napięcia ściskającego, a kryształ kwarcowy staje się krótszy i grubszy.

Piezoelektryczny przetwornik opiera się na zasadzie efektu piezoelektrycznego. Słowo "piezoelektryczny" pochodzi od greckiego słowa "piezen", co oznacza uciskać lub naciskać. Efekt piezoelektryczny mówi, że gdy na kryształ kwarcowy zostanie nałożone mechaniczne napięcie lub siła, powstają na powierzchni kryształu kwarcowego ładunki elektryczne. Efekt piezoelektryczny został odkryty przez Pierre'a i Jacques'a Curie. Tempo powstawania ładunków będzie proporcjonalne do tempa zmiany mechanicznego napięcia nałożonego na niego. Im większe napięcie, tym większe napięcie elektryczne.

Jedną z unikalnych cech efektu piezoelektrycznego jest jego odwracalność, co oznacza, że gdy na niego zastosowane jest napięcie, zmieniają one swoje wymiary wzdłuż pewnej płaszczyzny, tzn. struktura kryształu kwarcowego umieszczona w polu elektrycznym, ulegnie deformacji kryształu kwarcowego proporcjonalnie do siły pola elektrycznego. Jeśli ta sama struktura zostanie umieszczona w polu elektrycznym z odwróconym kierunkiem pola, deformacja będzie odwrotna.

Kryształ kwarcowy staje się dłuższy z powodu zastosowanego pola elektrycznego.

Kryształ kwarcowy staje się krótszy z powodu zastosowanego pola elektrycznego w odwrotnym kierunku. Jest to samogenerator. Nie wymaga źródła napięcia elektrycznego do działania. Napięcie elektryczne wytworzone przez piezoelektryczny przetwornik liniowo zmienia się w zależności od zastosowanego napięcia lub siły.

Piezoelektryczny przetwornik ma wysoką czułość. Dlatego działa jako czujnik i jest używany w akcelerometrach ze względu na swoją doskonałą częstotliwość odpowiedzi. Efekt piezoelektryczny jest wykorzystywany w wielu aplikacjach, które obejmują produkcję i detekcję dźwięku, generowanie częstotliwości elektronicznych. Działa jako źródło zapłonowe dla zapalniczek papierosowych i jest używany w sonarach, mikrofonach, do pomiaru siły, ciśnienia i przemieszczenia.

Zastosowanie materiałów piezoelektrycznych

Używając materiałów piezoelektrycznych, piezoelektryczne przetworniki mogą być stosowane w różnych zastosowaniach, w tym:

W mikrofonach, ciśnienie dźwiękowe jest przekształcane w sygnał elektryczny, który ostatecznie jest wzmacniany, aby wytworzyć głośniejszy dźwięk.
Pasy bezpieczeństwa w samochodach zamykają się w odpowiedzi na szybkie spowolnienie, co jest również realizowane za pomocą materiału piezoelektrycznego.
Są również używane w diagnostyce medycznej.
Są używane w elektrycznych zapalniczkach używanych w kuchniach. Ciśnienie wytworzony na piezoelektrycznym czujniku tworzy sygnał elektryczny, który ostatecznie powoduje zapłon.
Są używane do badania szybkich fal uderzeniowych i fal wybuchowych.
Stosowane w leczeniu niepłodności.
Stosowane w drukarkach atramentowych.
Są również używane w restauracjach lub lotniskach, gdzie, gdy osoba zbliża się do drzwi, drzwi otwierają się automatycznie. W tym przypadku koncepcja polega na tym, że gdy osoba jest blisko drzwi, ciśnienie jej wagi na czujnikach powoduje powstanie efektu elektrycznego, co powoduje automatyczne otwarcie drzwi.