Transdutor Piezoelétrico: Aplicações e Princípio de Funcionamento

O que é um Transdutor Piezelétrico

Um transdutor piezelétrico (também conhecido como sensor piezelétrico) é um dispositivo que utiliza o efeito piezelétrico para medir mudanças em aceleração, pressão, tensão, temperatura ou força, convertendo essa energia em uma carga elétrica.

Um transdutor pode ser qualquer coisa que converte uma forma de energia em outra. O material piezelétrico é um tipo de transdutor. Quando comprimimos este material piezelétrico ou aplicamos qualquer força ou pressão, o transdutor converte essa energia em tensão. Esta tensão é uma função da força ou pressão aplicada a ele.

A tensão elétrica produzida por um transdutor piezelétrico pode ser facilmente medida pelos instrumentos de medição de tensão. Como esta tensão será uma função da força ou pressão aplicada, podemos inferir qual foi a força/pressão pela leitura de tensão. Dessa forma, quantidades físicas como estresse mecânico ou força podem ser medidas diretamente usando um transdutor piezelétrico.

Atuador Piezelétrico

Um atuador piezelétrico se comporta de maneira oposta ao sensor piezelétrico. É aquele no qual o efeito elétrico causará a deformação do material, isto é, alongamento ou curvatura.

Isso significa que, em um sensor piezelétrico, quando uma força é aplicada para alongar ou curvar, um potencial elétrico é gerado e, ao contrário, em um atuador piezelétrico, quando um potencial elétrico é aplicado, ele é deformado, isto é, alongado ou curvado.

Um transdutor piezelétrico consiste em cristal de quartzo, que é feito de silício e oxigênio dispostos em estrutura cristalina (SiO2). Geralmente, a célula unitária (unidade básica repetitiva) de todos os cristais é simétrica, mas no cristal de quartzo piezelétrico, não é. Os cristais piezelétricos são eletricamente neutros.

Os átomos dentro deles podem não estar dispostos simetricamente, mas suas cargas elétricas estão equilibradas, ou seja, as cargas positivas cancelam as negativas. O cristal de quartzo tem a propriedade única de gerar polaridade elétrica quando submetido a estresse mecânico em determinado plano. Basicamente, existem dois tipos de estresse. Um é o estresse compressivo e o outro é o estresse tracional.

Quando há quartzo sem estresse, nenhuma carga é induzida nele. No caso de estresse compressivo, cargas positivas são induzidas em um lado e cargas negativas no lado oposto. O tamanho do cristal fica mais fino e longo devido ao estresse compressivo. No caso de estresse tracional, as cargas são induzidas de forma inversa ao estresse compressivo e o cristal de quartzo fica mais curto e largo.

Um transdutor piezelétrico baseia-se no princípio do efeito piezelétrico. A palavra piezelétrico deriva da palavra grega piezen, que significa espremer ou pressionar. O efeito piezelétrico afirma que, quando estresse mecânico ou forças são aplicados em um cristal de quartzo, produzem cargas elétricas na superfície do cristal de quartzo. O efeito piezelétrico foi descoberto por Pierre e Jacques Curie. A taxa de carga produzida será proporcional à taxa de mudança do estresse mecânico aplicado. Quanto maior o estresse, maior será a tensão.

Uma das características únicas do efeito piezelétrico é que ele é reversível, ou seja, quando uma tensão é aplicada a eles, tendem a mudar de dimensão em determinado plano, ou seja, a estrutura do cristal de quartzo é colocada em um campo elétrico, ela deformará o cristal de quartzo em uma quantidade proporcional à intensidade do campo elétrico. Se a mesma estrutura for colocada em um campo elétrico com a direção do campo invertida, a deformação será oposta.

O cristal de quartzo fica mais longo devido ao campo elétrico aplicado

O cristal de quartzo fica mais curto devido ao campo elétrico aplicado em direção inversa. É um transdutor autogerador. Não requer uma fonte de tensão elétrica para operar. A tensão elétrica produzida pelo transdutor piezelétrico varia linearmente com o estresse ou força aplicada.

O transdutor piezelétrico tem alta sensibilidade. Portanto, age como um sensor e é usado em acelerômetros devido à sua excelente resposta de frequência. O efeito piezelétrico é usado em muitas aplicações que envolvem a produção e detecção de som, geração de frequências eletrônicas. Atua como fonte de ignição para isqueiros eletrônicos e é usado em sonar, microfone, medição de força, pressão e deslocamento.

Aplicação de Materiais Piezelétricos

Usando materiais piezelétricos, transdutores piezelétricos podem ser usados em várias aplicações, incluindo:

1. Em microfones, a pressão sonora é convertida em um sinal elétrico e este sinal é amplificado para produzir um som mais alto.

2. Cintos de segurança automotivos travam em resposta a uma desaceleração rápida, também feito usando um material piezelétrico.

3. Também é usado em diagnósticos médicos.

4. É usado em isqueiros elétricos utilizados nas cozinhas. A pressão feita no sensor piezelétrico cria um sinal elétrico que, por fim, causa a faísca para acender.

5. São usados para estudar ondas de choque de alta velocidade e ondas de explosão.

6. Usado no tratamento de infertilidade.

7. Usado em impressoras jato de tinta.

8. Também é usado em restaurantes ou aeroportos, onde, quando uma pessoa se aproxima da porta, a porta abre automaticamente. Neste caso, o conceito usado é que, quando uma pessoa está perto da porta, a pressão é exercida pelo peso da pessoa nos sensores, devido ao qual o efeito elétrico é produzido e a porta se abre automaticamente.

Exemplos de Materiais Piezelétricos

Os materiais são:

1. Titanato de bário.

2. Zirconato titanato de chumbo (PZT).

3. Sal de Rochelle.

Transdutor Ultrassônico Piezelétrico

Ele produz frequências muito acima daquelas que podem ser ouvidas pelo ouvido humano. Expande e contrai rapidamente quando submetido a qualquer tensão. É tipicamente usado em aspiradores de pó.

Buzzer Piezelétrico

Um buzzer é qualquer coisa que produza som. Eles são alimentados por um circuito eletrônico oscilante. Um elemento piezelétrico pode ser alimentado por um circuito eletrônico oscilante ou por outra fonte de sinal de áudio, alimentado com um amplificador de áudio piezelétrico. Um clique, um toque ou um bip são sons comumente usados para indicar que um botão foi pressionado.

Um buzzer piezelétrico (ou zumbidor piezelétrico) depende da ressonância de cavidade acústica (ou ressonância de Helmholtz) para produzir um bip audível.

Vantagens do Transdutor Piezelétrico

As vantagens dos transdutores piezelétricos são:

1. Não há necessidade de força externa

2. F