Piezoelektrični pretvornik: Uporabe in delovanje

Kaj je piezoelektrični preobrazovalnik

Piezoelektrični preobrazovalnik (tudi znan kot piezoelektrični senzor) je naprava, ki uporablja piezoelektrični učinek za merjenje sprememb pospeška, tlaka, obremenitve, temperature ali sile, tako da to energijo pretvori v električno naboj.

Preobrazovalnik lahko karkoli, kar eno obliko energije pretvori v drugo. Piezoelektrična materiala so eden od vrst preobrazovalnikov. Ko pritisnemo ta piezoelektrični material ali nanj uporabimo silo ali tlak, preobrazovalnik to energijo pretvori v napetost. Ta napetost je funkcija sile ali tlaka, ki je nanj uporabljen.

Električna napetost, ki jo ustvari piezoelektrični preobrazovalnik, se lahko zlahka izmeri z napravami za merjenje napetosti. Ker bo ta napetost funkcija sile ali tlaka, ki je nanj uporabljen, lahko iz napetosti sklepamo o sili/tlaku. Na ta način se lahko fizične količine, kot so mehanski stres ali sila, neposredno meritve z uporabo piezoelektričnega preobrazovalnika.

Piezoelektrični aktuator

Piezoelektrični aktuator deluje obratno kot piezoelektrični senzor. Gre za tisto, kjer bo električni učinek povzročil deformacijo materiala, torej ga raztegnil ali ukrnil.

To pomeni, da v piezoelektričnem senzorju, ko nanj uporabimo silo, da ga raztegnemo ali ukrnimo, se ustvari električni potencial in obratno, ko na piezoelektričnem aktuatorju uporabimo električni potencial, se deformira, torej se raztegne ali ukrni.

Piezoelektrični preobrazovalnik sestavlja kvarc, ki je izdelan iz kisika in silicija, razporejen v kristalno strukturo (SiO2). Običajno je osnovna celica (osnovna ponavljajoča se enota) vseh kristalov simetrična, vendar ni v piezoelektričnem kvarcu. Piezoelektrični kristali so električno nevtralni.

Atomi znotraj njih morda niso simetrično razporejeni, vendar so njihove električne naboje uravnoveseni, kar pomeni, da pozitivni naboji izenačijo negativne naboje. Kvarc ima edinstveno lastnost generiranja električne polaritete, ko mu je uporabljen mehanski stres v določeni ravnini. Obstajata dva tipa stresa. Eden je stisni stres, drug pa je vztegani stres.

Ko je kvarc nenapet, na njem ni induciranih nabojev. V primeru stisnega stresa se na eni strani inducirajo pozitivni naboji, na nasprotni strani pa negativni naboji. Velikost kristala postane tanjša in daljša zaradi stisnega stresa. V primeru vzteganega stresa se naboji inducirajo obratno glede na stisni stres, in kvarčni kristal postane krajši in debeljši.

Piezoelektrični preobrazovalnik temelji na principu piezoelektričnega učinka. Beseda piezoelektrični izvira iz grške besede piezen, ki pomeni stisniti ali pritisniti. Piezoelektrični učinek pravi, da pri uporabi mehanskega stresa ali sile na kvarčni kristal, nastanejo električni naboji na površini kvarčnega kristala. Piezoelektrični učinek je odkril Pierre in Jacques Curie. Hitrost nastajanja nabojev bo sorazmerna s hitrostjo spremembe mehanskega stresa, ki je nanj uporabljen. Večji stres bo pripeljal do višje napetosti.

Ena od edinstvenih značilnosti piezoelektričnega učinka je, da je obrnljiv, kar pomeni, da se pri uporabi napetosti na njih, težijo spreminjati dimenzije v določeni ravnini, torej, če je struktura kvarčnega kristala postavljena v električno polje, se bo deformirala v količini, sorazmerno moči električnega polja. Če je ista struktura postavljena v električno polje s obrnjenim smerjo polja, bo deformacija bila nasprotna.

Kvarčni kristal postane daljši zaradi uporabljenega električnega polja

Kvarčni kristal postane krajši zaradi uporabljenega električnega polja v obratni smeri.
To je samozgenerirajoči preobrazovalnik. Za delovanje ne potrebuje zunanjega električnega napajalnika. Električna napetost, ki jo ustvari piezoelektrični preobrazovalnik, se linearno spreminja glede na uporabljeni stres ali silo.

Piezoelektrični preobrazovalnik ima visoko občutljivost. Zato deluje kot senzor in se uporablja v akcelerometrih zaradi njegove odlične frekvence odziva. Piezoelektrični učinek se uporablja v mnogih aplikacijah, ki vključujejo proizvodnjo in detekcijo zvoka, elektronsko generiranje frekvenc. Deluje kot zapalilo za cigaretske zapalnice in se uporablja v sonarju, mikrofonu, merjenju sile, tlaka in pomika

Uporaba piezoelektričnih materialov

Z uporabo piezoelektričnih materialov, piezoelektrični preobrazovalniki lahko uporabljajo v številnih aplikacijah, vključno z:

1. V mikrofoni se zvočni tlak pretvori v električni signal, ki se nato pojača, da bi se ustvaril glasnejši zvok.

2. V avtomobilskih varnostnih pasih se zakleneta v odgovoru na hitro zmanjševanje, kar je tudi doseženo z uporabo piezoelektričnega materiala.

3. Uporablja se tudi v medicinski diagnostiki.

4. Uporablja se v električnih zapalnicah, ki se uporabljajo v kuhinjah. Tlak, ki ga povzroči piezoelektrični senzor, ustvari električni signal, ki končno povzroči iskro, ki se zapali.

5. Uporabljajo se za študij hitrih šok valov in eksplozivnih valov.

6. Uporabljajo se v terapiji neplodnosti.

7. Uporabljajo se v tintni tiskalnikih.

8. Uporabljajo se tudi v restavracijah ali letališčih, kjer se, ko se oseba približa vrati, vrata avtomatsko odprejo. Koncept, ki se uporablja, je, da, ko se oseba približa vrati, tlak, ki ga povzroča teža osebe na senzorjih, ustvari električni učinek, zaradi katerega se vrata avtomatsko odprejo.

Primeri piezoelektričnih materialov

Materiali so:

1. Barium titanat.

2. Svinčen zirkonat titanat (PZT).

3. Rochelle sol.

Piezoelektrični ultrazvočni preobrazovalnik

Izraža frekvence, ki so daleč nad tistimi, ki jih lahko človeško uho sliši. Hitro se razširi in stisne, ko nanj uporabimo kakršno koli napetost. Običajno se uporablja v pobarvaniku.

Piezoelektrični buzzer

Buzzer je karkoli, kar ustvari zvok. Njegovo delovanje omogoča oscilatorski elektronski vezji. Piezoelektrični element se lahko uporablja z oscilatorskim elektr