Піезоелектричний перетворювач: Застосування та принцип роботи

Electrical4u

Поле: Основи електротехніки

China

Що таке піезоелектричний перетворювач

Піезоелектричний перетворювач (також відомий як піезоелектричний датчик) — це пристрій, який використовує піезоелектричний ефект для вимірювання змін у прискоренні, тиску, деформації, температурі або сили, перетворюючи цю енергію на електричний заряд.

Перетворювач може бути будь-що, що перетворює одну форму енергії на іншу. Піезоелектричний матеріал — це один з видів перетворювачів. Коли ми стискаємо цей піезоелектричний матеріал або застосовуємо будь-яку силу або тиск, перетворювач перетворює цю енергію на напругу. Ця напруга є функцією сили або тиску, який до неї застосовується.

Електрична напруга, вироблена піезоелектричним перетворювачем, легко може бути виміряна за допомогою приладів для вимірювання напруги. Оскільки ця напруга буде функцією сили або тиску, який до неї застосовується, ми можемо визначити, яка була сила/тиск, за показаннями напруги. Таким чином, фізичні величини, такі як механічне напруження або сила, можуть бути безпосередньо виміряні за допомогою піезоелектричного перетворювача.

Піезоелектричний актуатор

Піезоелектричний актуатор поводиться протилежно піезоелектричному датчику. Це пристрій, в якому електричний ефект спричинить деформацію матеріалу, тобто його розтягнення або згинання.

Це означає, що в піезоелектричному датчику, коли до нього застосовується сила для розтягнення або згинання, генерується електричний потенціал, а в протилежному випадку, коли на піезоелектричний актуатор застосовується електричний потенціал, він деформується, тобто розтягується або згинеться.

Піезоелектричний перетворювач складається з кварцевого кристалу, який виготовляється з кремнію та кисню, розташованих в кристалічній структурі (SiO2). Зазвичай, елементарна клітинка (базова повторювальна одиниця) всіх кристалів симетрична, але в піезоелектричному кварцовому кристалі це не так. Піезоелектричні кристали електрично нейтральні.

Атоми всередині них можуть не бути симетрично розташовані, але їх електричні заряди збалансовані, тобто додатні заряди компенсують від'ємні. Кварцевий кристал має унікальну властивість генерації електричної полярності, коли до нього застосовується механічний тиск вздовж певної площини. В основному, існує два типи стресу. Один — це стисливаючий стрес, а інший — розтягуючий стрес.

Коли кварц не знаходиться під тиском, на ньому не виникають заряди. У випадку стисливої навантаженості, на одному боці індукуються додатні заряди, а на протилежному боці — від'ємні. Розмір кристалу стає тоншим і довшим через стисливе навантаження. У випадку розтягуючого стресу, заряди індукуються в зворотному порядку по відношенню до стисливої навантаженості, і кварцевий кристал стає коротшим і ширшим.

Піезоелектричний перетворювач базується на принципі піезоелектричного ефекту. Слово "піезоелектричний" походить від грецького слова "piezen", що означає "стиснути" або "натиснути". Піезоелектричний ефект стверджує, що при застосуванні механічного тиску або сили до кварцевого кристалу, на поверхні кварцевого кристалу виникають електричні заряди. Піезоелектричний ефект був виявлений П'єром та Жаком Кюрі. Швидкість вироблення зарядів буде пропорційною швидкості зміни механічного тиску, який до нього застосовується. Більш високий тиск — вища напруга.

Однією з унікальних характеристик піезоелектричного ефекту є його зворотність, тобто коли до них застосовується напруга, вони змінюють розмір вздовж певної площини, тобто якщо структура кварцевого кристалу розташована в електричному полі, вона деформує кварцевий кристал на величину, пропорційну сили електричного поля. Якщо та сама структура розташована в електричному полі з оберненим напрямком, деформація буде протилежною.

Кварцевий кристал стає довшим через застосування електричного поля

Кварцевий кристал стає коротшим через застосування електричного поля в оберненому напрямку.
Це самогенеруючий перетворювач. Для його роботи не потрібен зовнішній джерело електричної напруги. Електрична напруга, вироблена піезоелектричним перетворювачем, лінійно змінюється відносно застосованого тиску або сили.

Піезоелектричний перетворювач має високу чутливість. Тому він використовується як датчик у прискорювачах завдяки своїй відмінній частотній характеристиці. Піезоелектричний ефект використовується у багатьох застосуваннях, які включають виробництво та виявлення звуку, генерацію електронних частот. Він використовується як джерело запалювання для запальників, а також у сонарах, мікрофонах, для вимірювання сили, тиску та переміщення.

Застосування піезоелектричних матеріалів

Використовуючи піезоелектричні матеріали, піезоелектричні перетворювачі можуть бути використані в різноманітних застосуваннях, включаючи:

У мікрофонах, тиснення звуку перетворюється на електричний сигнал, який в кінцевому підсумку підсилюється, щоб створити гучніший звук.
Автомобільні безпекові ремені блокуються відповідно на швидке зменшення швидкості, що також здійснюється за допомогою піезоелектричного матеріалу.
Використовується також в медичних діагностичних системах.
Використовується в електричних запальниках, які використовуються на кухнях. Тиск на піезоелектричний датчик створює електричний сигнал, який в кінцевому підсумку призводить до розпалювання.
Використовується для вивчення швидких ударних хвиль та хвиль вибуху.
Використовується в лікуванні стерилітету.
Використовується в чернильних принтерах.
Також використовується в ресторанах або аеропортах, коли людина підходить до дверей, і двері автоматично відкриваються. У цьому використовується концепція, коли людина підходить до дверей, тиск створюється через вагу людини на датчики, через що виробляється електричний ефект, і двері автоматично відкриваються.