Què és un transductor piezoelèctric? Diagrama de circuits, treball i aplicacions

Proveu El Nostre Instrument Per Eliminar Problemes





En el nostre dia a dia, ens trobem amb diverses situacions en què hem de mesurar quantitats físiques com l’estrès mecànic aplicat al metall, els nivells de temperatura, els nivells de pressió, etc. Per a totes aquestes aplicacions necessitem un dispositiu que pugui mesurar aquestes quantitats desconegudes en unitats i calibracions que ens són familiars. Un d'aquests dispositius que ens és més útil és el TRANSDUCTOR . El transductor és un dispositiu elèctric que pot convertir qualsevol tipus de magnitud física en forma de magnitud elèctrica proporcional, ja sigui com a tensió o corrent elèctric . Des de la gran piscina de diversos tipus de transductor, aquest article pretén explicar-los transductors piezoelèctrics .

Què és el transductor piezoelèctric?

El definició d’un transductor piezoelèctric és un transductor elèctric que pot convertir qualsevol forma de quantitat física en un senyal elèctric , que es pot utilitzar per a la mesura. Un transductor elèctric que utilitza propietats de materials piezoelèctrics per a la conversió de magnituds físiques en senyals elèctrics es coneix com a transductor piezoelèctric.




Transductor piezoelèctric

Transductor piezoelèctric

Els materials piezoelèctrics presenten la propietat de piezoelectricitat , segons el qual, en aplicar qualsevol tipus de tensió mecànica o tensió, es genera una tensió elèctrica proporcional a la tensió aplicada. Aquesta tensió elèctrica produïda es pot mesurar mitjançant la tensió instruments de mesura per calcular el valor de la tensió o tensió aplicada al material.



Tipus de materials piezoelèctrics

Alguns dels tipus de materials piezoelèctrics són:

Disponibles de forma natural: Quars, sal de Rochelle, Topazi, minerals del grup Turmalina i algunes substàncies orgàniques com la seda, la fusta, l’esmalt, l’os, els cabells, el cautxú i la dentina. Fabrica artificialment materials piezoelèctrics són difluorur de polivinilidè, PVDF o PVF2, titanat de bari, titanat de plom, titanat de zirconat de plom (PZT), niobat de potassi, niobat de liti, tantalat de liti i altres ceràmiques piezoelèctriques sense plom.

No es poden utilitzar tots els materials piezoelèctrics transductors piezoelèctrics . Hi ha certs requisits que han de complir els materials piezoelèctrics que s’utilitzaran com a transductors. Els materials utilitzats amb finalitats de mesura han de tenir estabilitat de freqüència, valors de producció elevats, insensibles a les condicions extremes de temperatura i humitat i que poden estar disponibles en diverses formes o han de ser flexibles per fabricar-se en diverses formes sense alterar les seves propietats.


Malauradament, no hi ha cap material piezoelèctric que tingui totes aquestes propietats. Quars és un cristall altament estable que està disponible de forma natural, però té nivells de producció reduïts. Es poden mesurar paràmetres que varien lentament amb quars. La sal de Rochelle proporciona els valors de producció més alts, però és sensible a les condicions ambientals i no es pot utilitzar per sobre de 1150F.

Funcionament del transductor piezoelèctric

Transductor piezoelèctric funciona amb el principi de la piezoelectricitat. Les cares del material piezoelèctric, el quars habitual, estan recobertes amb una fina capa de material conductor, com ara la plata. Quan s’ha aplicat l’estrès, els ions del material es mouen cap a una de les superfícies conductores mentre s’allunyen de l’altra. Això es tradueix en la generació de càrrega. Aquesta càrrega s’utilitza per calibrar la tensió. La polaritat de la càrrega produïda depèn de la direcció de la tensió aplicada. L'estrès es pot aplicar en dues formes com C estrès ompressiu i Esforç de tracció com es mostra a continuació.

Funcionament d

Funcionament d'un transductor piezoelèctric

Fórmula del transductor piezoelèctric

L'orientació del cristall també afecta la quantitat de voltatge generat. Es pot disposar cristall en un transductor posició longitudinal o bé posició transversal .

Fórmula del transductor piezoelèctric

Fórmula del transductor piezoelèctric

Efecte longitudinal i transversal

En l’efecte longitudinal, la càrrega generada ve donada per

Q = F * d

On F és la força aplicada, d és el coeficient piezoelèctric del cristall.

El coeficient piezoelèctric d del cristall de quars és d’uns 2,3 * 10-12C / N.

En l’efecte transversal, la càrrega generada ve donada per

Q = F * d * (b / a)

Quan la relació b / a sigui superior a 1, la càrrega produïda per disposició transversal serà superior a la quantitat generada per disposició longitudinal.

Circuit de transductor piezoelèctric

El funcionament d’un transductor piezoelèctric bàsic s’explica per la figura següent.

Circuit de transductor piezoelèctric

Circuit de transductor piezoelèctric

Aquí el cristall de quars recobert de plata s’utilitza com a sensor per generar una tensió quan s’hi aplica tensió. Un amplificador de càrrega s’utilitza per mesurar la càrrega produïda sense dissipació. Per obtenir un corrent molt baix, la resistència R1 és molt alta. La capacitat del fil conductor que connecta el transductor i sensor piezoelèctric també afecta el calibratge. Per tant, l'amplificador de càrrega se situa generalment molt a prop del sensor.

Així doncs, en un transductor piezoelèctric quan s’aplica una tensió mecànica es genera una tensió elèctrica proporcional que s’amplifica mitjançant un amplificador de càrrega i s’utilitza per calibrar la tensió aplicada.

Transductor ultrasònic piezoelèctric

El transductor piezoelèctric d’ultrasons funciona segons el principi del contrari efecte piezoelèctric . En aquest efecte, quan l’electricitat s’aplica a un material piezoelèctric, pateix deformacions físiques proporcionals a la càrrega aplicada. El circuit del transductor d'ultrasons es mostra a continuació.

Transductor piezoelèctric per ultrasons

Transductor piezoelèctric per ultrasons

Aquí, el cristall de quars es col·loca entre dues plaques metàl·liques A i B que estan connectades a la L3 primària del transformador. El primari del transformador està acoblat inductivament al oscil·lador electrònic . Les bobines L1 i L2, que es formen secundàries del transformador, estan connectades a l’oscil·lador electrònic.

Quan la bateria s’encén, l’oscil·lador produeix impulsos de tensió alterna d’alta freqüència amb una freqüència f = 1 ÷ (2π√L1C1). A causa d'això, s'indueix un e.m.f a L3 que es transfereix al cristall de quars a través de les plaques A i B. A causa de l'efecte piezoelèctric invers, el cristall comença a contraure's i expandir-se alternativament, creant així vibracions mecàniques.

La ressonància té lloc quan la freqüència del oscil·lador electrònic és igual a la freqüència natural del quars. En aquest moment, el quars produeix ones ultrasòniques longitudinals de gran amplitud.

Aplicacions de transductors piezoelèctrics

  • Com que els materials piezoelèctrics no poden mesurar valors estàtics, s’utilitzen principalment per mesurar la rugositat de la superfície, en acceleròmetres i com a captador de vibracions.
  • S’utilitzen a sismògrafs per mesurar les vibracions dels coets.
  • En indicadors de tensió per mesurar la força, la tensió, les vibracions, etc.
  • Utilitzat per les indústries automobilístiques per mesurar les detonacions dels motors.
  • S’utilitzen a imatges per ultrasons en aplicacions mèdiques.

Avantatges i limitacions dels transductors piezoelèctrics

Els avantatges i limitacions dels transductors piezoelèctrics inclouen els següents.

Avantatges

  • Es tracta d’un transductor actiu, és a dir, que no requereixen alimentació externa per treballar i, per tant, s’autogeneren.
  • La resposta a alta freqüència d’aquests transductors és una bona opció per a diverses aplicacions.

Limitacions

  • La temperatura i les condicions ambientals poden afectar el comportament del transductor.
  • Només poden mesurar la pressió canviant, de manera que són inútils mentre mesuren paràmetres estàtics.

Per tant, tot això es tracta Transductor piezoelèctric , Principi de treball, fórmula, circuit amb funcionament, avantatges, limitacions i també aplicacions. A partir de la informació anterior, hi ha diverses aplicacions del transductor piezoelèctric tal com hem comentat. Per a quina aplicació heu utilitzat el transductor piezoelèctric? Com ha estat la vostra experiència?