Piezoelektisk transducer: Tillämpningar & fungeringsprincip

Vad är en piezoelektrisk transducer

En piezoelektrisk transducer (även känd som en piezoelektrisk sensor) är en enhet som använder piezoelektriska effekten för att mäta förändringar i acceleration, tryck, spänning, temperatur eller kraft genom att omvandla denna energi till en elektrisk laddning.

En transducer kan vara allt som omvandlar en form av energi till en annan. Piezoelektriskt material är en typ av transducers. När vi pressar detta piezoelektriska material eller applicerar någon kraft eller tryck, omvandlar transducern denna energi till spänning. Denna spänning är en funktion av den kraft eller tryck som appliceras på det.

Den elektriska spänningen producerad av en piezoelektrisk transducer kan lätt mätas med hjälp av spänningsmätande instrument. Eftersom denna spänning kommer att vara en funktion av den kraft eller tryck som appliceras på den, kan vi dra slutsatsen om vad kraften/trycket var utifrån spänningsläsningen. På detta sätt kan fysiska storheter som mekanisk spänning eller kraft mätas direkt med hjälp av en piezoelektrisk transducer.

Piezoelektrisk aktuator

En piezoelektrisk aktuator fungerar på motsatt sätt jämfört med en piezoelektrisk sensor. Det är den där elektrisk effekt orsakar material att deformera, dvs. sträcka eller böja.

Det betyder att i en piezoelektrisk sensor, när kraft appliceras för att sträcka eller böja den, genereras en elektrisk potential och i motsats, när en piezoelektrisk aktuator, appliceras en elektrisk potential deformerar den, dvs. sträcker eller böjer.

En piezoelektrisk transducer består av kvartskristall som är gjord av silikon och syre arrangerade i kristallin struktur (SiO2). Generellt sett är enhetscellen (grundläggande upprepande enhet) av alla kristaller symmetrisk, men i piezoelektriska kvarts-kristaller är det inte. Piezoelektriska kristaller är elektriskt neutrala.

Atomen inuti dem kanske inte är symmetriskt arrangerade, men deras elektriska laddningar är balanserade, vilket innebär att positiva laddningar utjämnar negativa laddningar. Kvarts-kristallen har den unika egenskapen att generera elektrisk polaritet när mekanisk spänning appliceras på den längs en viss plan. Det finns två typer av spänning. En är komprimerande spänning och den andra är dragande spänning.

När det finns ostressad kvarts induceras inga laddningar på den. I fallet med komprimerande spänning induceras positiva laddningar på ena sidan och negativa laddningar på motsatta sidan. Kristallens storlek blir tunnare och längre på grund av komprimerande spänning. I fallet med dragande spänning induceras laddningar i motsatt riktning jämfört med komprimerande spänning och kvarts-kristallen blir kortare och bredare.

En piezoelektrisk transducer baseras på principen om piezoelektrisk effekt. Ordet piezoelektrisk härstammar från det grekiska ordet piezen, vilket betyder att pressa eller trycka. Piezoelektrisk effekt anger att när mekanisk spänning eller krafter appliceras på kvarts-kristall, produceras elektriska laddningar på kvarts-kristallens yta. Piezoelektrisk effekt upptäcktes av Pierre och Jacques Curie. Hastigheten för produktion av laddning kommer att vara proportionell mot hastigheten för förändring av mekanisk spänning som appliceras på den. Högare spänning ger högre spänning.

En av de unika karaktärsdragen hos piezoelektrisk effekt är att den är omvändbar, vilket innebär att när spänning appliceras på dem, tenderar de att ändra dimension längs vissa plan, dvs. kvarts-kristallstrukturen placeras i ett elektriskt fält, vilket deform