Пьезоэлектрический преобразователь: Применение и принцип работы
Что такое пьезоэлектрический преобразователь
Пьезоэлектрический преобразователь (также известный как пьезоэлектрический датчик) — это устройство, которое использует пьезоэлектрический эффект для измерения изменений ускорения, давления, деформации, температуры или силы, преобразуя эту энергию в электрический заряд.
Преобразователь может быть любым устройством, которое преобразует одну форму энергии в другую. Пьезоэлектрический материал — это один из видов преобразователей. Когда мы сжимаем этот пьезоэлектрический материал или прилагаем к нему силу или давление, преобразователь преобразует эту энергию в напряжение. Это напряжение является функцией силы или давления, приложенного к нему.
Электрическое напряжение, произведенное пьезоэлектрическим преобразователем, можно легко измерить с помощью измерительных приборов. Поскольку это напряжение будет функцией приложенной силы или давления, мы можем определить, какой была сила или давление, по показанию напряжения. Таким образом, физические величины, такие как механическое напряжение или сила, могут быть измерены непосредственно с помощью пьезоэлектрического преобразователя.
Пьезоэлектрический актуатор
Пьезоэлектрический актуатор работает наоборот по сравнению с пьезоэлектрическим датчиком. Это устройство, в котором электрический эффект вызывает деформацию материала, то есть растяжение или изгиб.
Это означает, что в пьезоэлектрическом датчике, когда к нему применяется сила, чтобы растянуть или согнуть его, генерируется электрический потенциал, и наоборот, в пьезоэлектрическом актуаторе, когда к нему применяется электрический потенциал, он деформируется, то есть растягивается или изгибается.
Пьезоэлектрический преобразователь состоит из кварцевого кристалла, изготовленного из кремния и кислорода, расположенных в кристаллической структуре (SiO2). Обычно элементарная ячейка (базовая повторяющаяся единица) всех кристаллов симметрична, но в случае пьезоэлектрического кварцевого кристалла это не так. Пьезоэлектрические кристаллы электрически нейтральны.
Атомы внутри них могут быть несимметрично расположены, но их электрические заряды сбалансированы, то есть положительные заряды компенсируют отрицательные. Кварцевый кристалл обладает уникальным свойством генерировать электрическую полярность, когда к нему прикладывается механическое напряжение вдоль определенной плоскости. Существуют два типа напряжения: одно — сжимающее, другое — растягивающее.
Когда кварц не подвергается напряжению, на нем не индуцируются заряды. В случае сжимающего напряжения на одной стороне индуцируются положительные заряды, а на противоположной — отрицательные. Размер кристалла становится тоньше и длиннее из-за сжимающего напряжения. В случае растягивающего напряжения заряды индуцируются в обратном порядке по сравнению с сжимающим, и кварцевый кристалл становится короче и толще.
Пьезоэлектрический преобразователь основан на принципе пьезоэлектрического эффекта. Слово "пьезоэлектрический" происходит от греческого слова "piezen", что означает "сжимать" или "нажимать". Пьезоэлектрический эффект гласит, что когда к кварцевому кристаллу применяется механическое напряжение или сила, на поверхности кварцевого кристалла возникают электрические заряды. Пьезоэлектрический эффект был открыт Пьером и Жаком Кюри. Скорость образования зарядов будет пропорциональна скорости изменения механического напряжения, приложенного к нему. Чем выше напряжение, тем выше напряжение.
Одним из уникальных свойств пьезоэлектрического эффекта является его обратимость, то есть когда к нему применяется напряжение, они меняют размеры вдоль определенной плоскости. Если структура кварцевого кристалла помещается в электрическое поле, она деформируется пропорционально силе этого поля. Если же эта же структура помещается в электрическое поле с обратным направлением, деформация будет противоположной.
Кварцевый кристалл становится длиннее из-за примененного электрического поля.
Кварцевый кристалл становится короче из-за применения электрического поля в обратном направлении. Это самогенерирующий преобразователь. Он не требует внешнего источника напряжения для работы. Электрическое напряжение, производимое пьезоэлектрическим преобразователем, линейно изменяется в зависимости от приложенного напряжения или силы.
Пьезоэлектрический преобразователь обладает высокой чувствительностью. Поэтому он используется в качестве датчика и в акселерометрах благодаря своей отличной частотной характеристике. Пьезоэлектрический эффект используется во многих приложениях, связанных с производством и обнаружением звука, генерацией электронных частот. Он служит источником зажигания для зажигалок, используется в сонарах, микрофонах, для измерения силы, давления и перемещения.
Применение пьезоэлектрических материалов
С использованием пьезоэлектрических материалов, пьезоэлектрические преобразователи могут быть использованы в различных приложениях, включая:
В микрофонах звуковое давление преобразуется в электрический сигнал, который в конечном итоге усиливается, чтобы произвести более громкий звук.
Автомобильные ремни безопасности блокируются в ответ на быстрое замедление, также с использованием пьезоэлектрического материала.
Используется в медицинской диагностике.
Используется в электрических зажигалках, используемых на кухне. Давление, создаваемое на пьезоэлектрическом датчике, создает электрический сигнал, который в конечном итоге вызывает вспышку.
Используются для исследования высокоскоростных ударных волн и взрывных волн.
Используется в лечении бесплодия.
Используются в струйных принтерах.
Также используются в ресторанах или аэропортах, где, когда человек подходит к двери, дверь автоматически открывается. В этом случае используется концепция, при которой, когда человек находится рядом с дверью, на датчики оказывается давление из-за веса человека, что вызывает электрический эффект, и дверь автоматически открывается.
Примеры пьезоэлектрических материалов
Материалы:
Барий титанат.
Цирконат-титанат свинца (PZT).
Рочелловая соль.
Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь
Он производит частоты, которые значительно выше тех, которые можно услышать человеческим ухом. Он быстро расширяется и сжимается, когда к нему прилагается напряжение. Обычно используется в пылесосах.
Пьезоэлектрический зуммер
Зуммер — это любое устройство, которое производит звук. Они приводятся в действие осциллирующей электронной схемой. Пьезоэлектрический элемент может приводиться в действие осциллирующей электронной схемой или другим источником аудиосигналов, приводимым с помощью пьезоэлектрического аудиоусилителя. Звук, такой как щелчок, звонок или писк, обычно используется для указания, что кнопка была нажата.
Пьезоэлектрический зуммер (или пьезоэлектрический пищалка) зависит от резонанса акустической полости (или резонанса Гельмгольца) для создания слышимого писка.
