Pijezoelektrični prenosilac: Primene i način rada

Šta je piezoelektrični prenosilac

Piezoelektrični prenosilac (poznat i kao piezoelektrični senzor) je uređaj koji koristi piezoelektrični efekat kako bi merio promene ubrzanja, pritiska, deformacije, temperature ili sile pretvarajući tu energiju u električnu napetost.

Prenosilac može biti bilo šta što pretvara jednu formu energije u drugu. Piezoelektrični materijal je jedan od tipova prenosilaca. Kada stisnemo ovaj piezoelektrični materijal ili primenimo neku silu ili pritisak, prenosilac pretvara tu energiju u napetost. Ova napetost je funkcija sile ili pritiska koji su na njega primenjeni.

Električna napetost proizvedena piezoelektričnim prenosilcem lako se može izmeriti pomoću instrumenta za merenje napetosti. Budući da će ova napetost biti funkcija sile ili pritiska koji su primenjeni, možemo zaključiti koja je bila sila/pritisak na osnovu čitanja napetosti. Na taj način, fizičke količine poput mehaničkog stresa ili sile mogu se direktno meriti pomoću piezoelektričnog prenosilca.

Piezoelektrični aktuator

Piezoelektrični aktuator funkcionira suprotno od piezoelektričnog senzora. On je onaj u kom električni efekat uzrokuje deformaciju materijala, tj. njegovo razvlakanje ili savijanje.

To znači da u piezoelektričnom senzoru, kada se sila primeni da ga razvuce ili savije, generiše se električni potencijal, a suprotno, na piezoelektričnom aktuatoru, kada se primeni električni potencijal, on se deformiše, tj. razvlači ili savija.

Piezoelektrični prenosilac sastoji se od kristala kvartsa, koji je napravljen od silicijuma i kiseonika raspoređenih u kristalnoj strukturi (SiO2). Opšteg govora, osnovna ponavljajuća jedinica (unit cell) svih kristala je simetrična, ali u slučaju piezoelektričnog kvartsa, to nije slučaj. Piezoelektrični kristali su električno neutralni.

Atomi unutar njih možda nisu simetrično raspoređeni, ali njihove električne nabojke su uravnotežene, što znači da pozitivni naboji poništavaju negativne. Kristal kvartsa ima jedinstvenu osobinu da generiše električnu polaritet kada mu se mehanički stres primeni duž određene ravni. Postoje dva tipa stresa. Jedan je kompresivni stres, a drugi je tenzilsni stres.

Kada kvarts nije pod stresom, ne indukuju se nikakvi naboji. U slučaju kompresivnog stresa, pozitivni naboji se indukuju na jednoj strani, a negativni na suprotnoj. Veličina kristala postaje tanija i duža zbog kompresivnog stresa. U slučaju tenzilsnog stresa, naboji se indukuju suprotno u odnosu na kompresivni stres, a kristal kvartsa postaje kraći i deblji.

Piezoelektrični prenosilac zasniva se na principu piezoelektričnog efekta. Riječ piezoelektrični potječe od grčke riječi piezen, što znači stisnuti ili pritisnuti. Piezoelektrični efekt kaže da kada se mehanički stres ili sile primene na kristal kvartsa, proizvode se električni naboji na površini kristala kvartsa. Piezoelektrični efekt otkrili su Pierre i Jacques Curie. Stopa proizvodnje naboja bit će proporcionalna stopi promjene mehaničkog stresa koji se primjenjuje. Više će biti stresa, veće će biti napetost.

Jedna od jedinstvenih karakteristika piezoelektričnog efekta jeste da je reverzibilan, što znači da kada se na njega primeni napetost, oni teže da promijene dimenzije duž određene ravni, tj. ako se struktura kristala kvartsa smesti u električno polje, ona će deformirati kristal kvartsa u proporciji s jačinom električnog polja. Ako se ista struktura smesti u električno polje sa obrnutim smjerom polja, deformacija će biti suprotna.

Kristal kvartsa postaje duži zbog primijenjenog električnog polja

Kristal kvartsa postaje kraći zbog primijenjenog električnog polja u suprotnom smjeru. To je samogenerisan prenosilac. Ne zahteva eksterni izvor električne napetosti za rad. Električna napetost proizvedena piezoelektričnim prenosilcem linearno varira u odnosu na primijenjeni stres ili silu.

Piezoelektrični prenosilac ima visoku osetljivost. Stoga, djeluje kao senzor i koristi se u akcelerometrima zbog svoje odlične frekvencijske odzivnosti. Piezoelektrični efekat koristi se u mnogim primenama koje uključuju proizvodnju i detekciju zvuka, elektronsku generaciju frekvencija. Djeluje kao izvor zapaljivanja za duhanska zapaljača i koristi se u sonaru, mikrofonima, merenju sile, pritiska i pomaka

Primena piezoelektričnih materijala

Korišćenjem piezoelektričnih materijala, piezoelektrični prenosilci mogu se koristiti u mnogostrukim primenama, uključujući:

1. U mikrofonom, pritisak zvučne valne sile pretvara se u električni signal, a taj signal se konačno pojačava kako bi se proizveo glasniji zvuk.

2. Automobilske sigurnosne pojaseve zaključavaju u odgovoru na brzo usporavanje takođe se koriste piezoelektrični materijal.

3. Takođe se koristi u medicinskoj dijagnostici.

4. Koristi se u električnim zapaljačima koji se koriste u kuhinjama. Pritisak na piezoelektrični senzor stvara električni signal koji konačno dovodi do ispaljivanja flame.

5. Koriste se za studiranje brzih udarnih talasa i eksplozivnih talasa.

6. Koristi se u lečenju neplodnosti.

7. Koristi se u ink jet printerima

8. Takođe se koristi u restoranima ili aerodromima gde, kada osoba stigne blizu vrata, vrata automatski otvore. U ovom konceptu, kada osoba stigne blizu vrata, pritisak težine osobe na senzore dovodi do proizvodnje električnog efekta, a vrata se automatski otvaraju.

Primeri piezoelektričnih materijala

Materijali su :

1. Barijev titanat.

2. Plumban zirkonij titanat (PZT).

3. Rochelle so.

Piezoelektrični ultrazvučni prenosilac

Proizvodi frekvencije koje su daleko iznad onih koje ljudsko uho može čuti. Brzo se širi i skuplja kada je izložen bilo kojoj napetosti. Obično se koristi u vakuumskim čistačima.

Piezo buzer

Buzer je bilo šta što proizvodi zvuk. Pogon imaju oscilatorski elektronski krugovi. Piezoelektrični element može biti pogonjen oscilatorskim elektronskim krugom ili drugim izvorom audio signala, pogonjen piezoelektričnim audio pojačavacem. Češće se koriste zvukovi poput klik, zvonik ili pip kako bi se označilo da je dugme pritisnuto.

Piezoelektrični buzzer (ili piezoelektrični zvonjak) zavisi od rezonancije akustičke šume (ili Helmholtzove rezonancije) kako bi proizveo čujan zvuk.

Prednosti piezoelektričnih prenosilaca