Bộ biến đổi piezoelectric: Ứng dụng và Nguyên lý hoạt động

Electrical4u

Trường dữ liệu: Điện Cơ Bản

China

What Is A Piezoelectric Transducer

Biến áp điện từ piezoelectric là gì

Một biến áp điện từ piezoelectric (còn được gọi là cảm biến piezoelectric) là thiết bị sử dụng hiệu ứng piezoelectric để đo lường sự thay đổi về gia tốc, áp suất, biến dạng, nhiệt độ hoặc lực bằng cách chuyển đổi năng lượng này thành điện tích.

Một biến áp có thể là bất kỳ thứ gì chuyển đổi một dạng năng lượng sang dạng khác. Vật liệu piezoelectric là một loại biến áp. Khi chúng ta nén vật liệu piezoelectric hoặc áp dụng bất kỳ lực hoặc áp suất nào, biến áp sẽ chuyển đổi năng lượng này thành điện áp. Điện áp này phụ thuộc vào lực hoặc áp suất được áp dụng lên nó.

Điện áp do biến áp piezoelectric tạo ra có thể dễ dàng đo lường bằng các thiết bị đo điện áp. Vì điện áp này phụ thuộc vào lực hoặc áp suất được áp dụng lên nó, chúng ta có thể suy luận lực hoặc áp suất đó thông qua đọc số điện áp. Theo cách này, các đại lượng vật lý như ứng suất cơ học hoặc lực có thể được đo trực tiếp bằng cách sử dụng biến áp piezoelectric.

Cơ cấu điều khiển piezoelectric

Cơ cấu điều khiển piezoelectric hoạt động theo cách ngược lại so với cảm biến piezoelectric. Đó là cơ cấu trong đó hiệu ứng điện sẽ khiến vật liệu biến dạng, tức là kéo dài hoặc cong vênh.

Điều đó có nghĩa là trong cảm biến piezoelectric, khi lực được áp dụng để kéo dài hoặc cong vênh nó, một hiệu điện thế được tạo ra và ngược lại, khi áp dụng hiệu điện thế lên cơ cấu điều khiển piezoelectric, nó sẽ biến dạng, tức là kéo dài hoặc cong vênh.

Biến áp piezoelectric bao gồm tinh thể thạch anh được làm từ silic và oxy sắp xếp theo cấu trúc tinh thể (SiO2). Thông thường, đơn vị tế bào (đơn vị lặp cơ bản) của tất cả các tinh thể là đối xứng nhưng trong tinh thể thạch anh piezoelectric, nó không phải. Tinh thể piezoelectric là trung tính điện.

Các nguyên tử bên trong chúng có thể không được sắp xếp đối xứng nhưng điện tích của chúng cân bằng, nghĩa là điện tích dương hủy bỏ điện tích âm. Tinh thể thạch anh có đặc tính độc đáo là tạo ra cực điện khi áp dụng ứng suất cơ học lên nó theo một mặt phẳng nhất định. Có hai loại ứng suất. Một là ứng suất nén và loại kia là ứng suất kéo.

Khi có thạch anh chưa bị ứng suất, không có điện tích nào được tạo ra. Trong trường hợp ứng suất nén, điện tích dương được tạo ra ở một bên và điện tích âm được tạo ra ở bên đối diện. Kích thước tinh thể trở nên mỏng hơn và dài hơn do ứng suất nén. Trong trường hợp ứng suất kéo, điện tích được tạo ra theo chiều ngược lại so với ứng suất nén và tinh thể thạch anh trở nên ngắn hơn và dày hơn.

Biến áp piezoelectric dựa trên nguyên tắc của hiệu ứng piezoelectric. Từ "piezoelectric" bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp "piezen", có nghĩa là ép hoặc nhấn. Hiệu ứng piezoelectric cho rằng khi áp dụng ứng suất cơ học hoặc lực lên tinh thể thạch anh, sẽ tạo ra điện tích trên bề mặt tinh thể. Hiệu ứng piezoelectric được phát hiện bởi Pierre và Jacques Curie. Tốc độ tạo ra điện tích sẽ tỷ lệ thuận với tốc độ thay đổi của ứng suất cơ học được áp dụng lên nó. Ứng suất càng cao, điện áp càng lớn.

Một trong những đặc điểm độc đáo của hiệu ứng piezoelectric là nó có thể đảo ngược, nghĩa là khi áp dụng điện áp lên chúng, chúng có xu hướng thay đổi kích thước theo một mặt phẳng nhất định, tức là nếu đặt cấu trúc tinh thể thạch anh vào một trường điện, nó sẽ biến dạng tinh thể theo tỷ lệ với cường độ của trường điện. Nếu cùng cấu trúc được đặt vào một trường điện với hướng ngược lại, biến dạng sẽ ngược lại.

Tinh thể thạch anh trở nên dài hơn do trường điện áp dụng

Tinh thể thạch anh trở nên ngắn hơn do áp dụng trường điện theo chiều ngược lại.
Nó là biến áp tự sinh. Nó không cần nguồn điện áp ngoài để hoạt động. Điện áp do biến áp piezoelectric tạo ra thay đổi tuyến tính theo ứng suất hoặc lực được áp dụng.

Biến áp piezoelectric có độ nhạy cao. Do đó, nó hoạt động như một cảm biến và được sử dụng trong gia tốc kế do khả năng đáp ứng tần số xuất sắc. Hiệu ứng piezoelectric được sử dụng trong nhiều ứng dụng liên quan đến sản xuất và phát hiện âm thanh, tạo tần số điện tử. Nó hoạt động như nguồn đánh lửa cho bật lửa điện và được sử dụng trong sonar, microphone, đo lực, áp suất và dịch chuyển.

Ứng dụng của vật liệu piezoelectric

Sử dụng vật liệu piezoelectric, biến áp piezoelectric có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm:

Trong micro, áp suất âm thanh được chuyển đổi thành tín hiệu điện và tín hiệu này cuối cùng được khuếch đại để tạo ra âm thanh to hơn.
Dây đai an toàn xe hơi khóa lại khi có sự giảm tốc đột ngột cũng được thực hiện bằng vật liệu piezoelectric.
Nó cũng được sử dụng trong chẩn đoán y tế.
Nó được sử dụng trong bật lửa điện dùng trong nhà bếp. Áp lực tạo ra trên cảm biến piezoelectric tạo ra tín hiệu điện cuối cùng gây ra việc phát lửa.
Chúng được sử dụng để nghiên cứu sóng sock tốc độ cao và sóng nổ.
Được sử dụng trong điều trị vô sinh.
Được sử dụng trong máy in phun.
Nó cũng được sử dụng trong nhà hàng hoặc sân bay, nơi khi một người bước gần cửa và cửa mở tự động. Trong đó, khái niệm được sử dụng là khi một người gần cửa, áp lực được tạo ra do trọng lượng người trên cảm biến, do đó tạo ra hiệu ứng điện và cửa mở tự động.

Ví dụ về vật liệu piezoelectric

Các vật liệu là:

Titanat barium.
Titanat zirconate chì (PZT).
Muối Rochelle.

Biến áp siêu âm piezoelectric

Nó tạo ra tần số vượt xa so với tần số mà tai người có thể nghe thấy. Nó co giãn nhanh chóng khi chịu bất kỳ điện áp nào. Nó thường được sử dụng trong máy hút bụi.

Bell piezoelectric

Bell là bất cứ thứ gì tạo ra âm thanh. Chúng được điều khiển bởi mạch điện dao động. Một phần tử piezoelectric có thể được điều khiển bởi mạch điện dao động hoặc nguồn tín hiệu âm thanh khác, được điều khiển bằng bộ khuếch đại âm piezoelectric. Tiếng bíp, tiếng chuông hoặc tiếng beep thường được sử dụng để chỉ rằng một nút đã được nhấn.

Bell piezoelectric (hoặc bell beep piezoelectric) phụ thuộc vào cộng hưởng hốc âm (hoặc cộng hưởng Helmholtz) để tạo ra âm beep có thể nghe thấy.