Nella nostra vita quotidiana, ci imbattiamo in varie situazioni in cui dobbiamo misurare quantità fisiche come lo stress meccanico applicato al metallo, i livelli di temperatura, i livelli di pressione, ecc ... Per tutte queste applicazioni abbiamo bisogno di un dispositivo che possa misurare queste quantità sconosciute in unità e calibrazioni a noi familiari. Uno di questi dispositivi che è più utile per noi è il TRASDUTTORE . Il trasduttore è un dispositivo elettrico in grado di convertire qualsiasi tipo di grandezza fisica sotto forma di grandezza elettrica proporzionale sia come tensione che corrente elettrica . Dal grande pool di vari tipi di trasduttori, questo articolo si propone di spiegare trasduttori piezoelettrici .
Cos'è il trasduttore piezoelettrico?
Il definizione di un trasduttore piezoelettrico è un trasduttore elettrico che può convertire qualsiasi forma di quantità fisica in un segnale elettrico , che può essere utilizzato per la misurazione. Un trasduttore elettrico che utilizza le proprietà dei materiali piezoelettrici per la conversione di grandezze fisiche in segnali elettrici è noto come a trasduttore piezoelettrico.
Trasduttore piezoelettrico
I materiali piezoelettrici mostrano la proprietà di piezoelettricità , secondo la quale sull'applicazione di qualsiasi tipo di sollecitazione meccanica o deformazione si ottiene la generazione di una tensione elettrica proporzionale alla sollecitazione applicata. Questa tensione elettrica prodotta può essere misurata usando la tensione strumenti di misura per calcolare il valore della sollecitazione o deformazione applicata al materiale.
Tipi di materiali piezoelettrici
Alcuni dei tipi di materiali piezoelettrici sono:
Quelli naturalmente disponibili: Quarzo, sale di Rochelle, topazio, minerali del gruppo tormalina e alcune sostanze organiche come seta, legno, smalto, ossa, capelli, gomma, dentina. Produce artificialmente materiali piezoelettrici sono difluoruro di polivinilidene, PVDF o PVF2, titanato di bario, titanato di piombo, titanato di zirconato di piombo (PZT), niobato di potassio, niobato di litio, tantalato di litio e altre ceramiche piezoelettriche senza piombo.
Non tutti i materiali piezoelettrici possono essere utilizzati in trasduttori piezoelettrici . Ci sono determinati requisiti che devono essere soddisfatti dai materiali piezoelettrici da utilizzare come trasduttori. I materiali utilizzati per la misurazione devono avere stabilità di frequenza, valori di uscita elevati, insensibili alle condizioni estreme di temperatura e umidità e che possono essere disponibili in varie forme o devono essere flessibili per essere fabbricati in varie forme senza alterarne le proprietà.
Sfortunatamente, non esiste un materiale piezoelettrico che abbia tutte queste proprietà. Quarzo è un cristallo altamente stabile che è naturalmente disponibile ma ha bassi livelli di uscita. I parametri che variano lentamente possono essere misurati con il quarzo. Il sale di Rochelle fornisce i valori di uscita più elevati ma è sensibile alle condizioni ambientali e non può essere utilizzato al di sopra di 1150F.
Trasduttore piezoelettrico funzionante
Trasduttore piezoelettrico funziona con il principio della piezoelettricità. Le facce del materiale piezoelettrico, il solito quarzo, sono rivestite con un sottile strato di materiale conduttore come l'argento. Quando lo stress è applicato, gli ioni nel materiale si muovono verso una delle superfici conduttrici allontanandosi dall'altra. Ciò si traduce nella generazione di carica. Questa carica viene utilizzata per la calibrazione dello stress. La polarità della carica prodotta dipende dalla direzione della sollecitazione applicata. Lo stress può essere applicato in due forme come C stress ompressivo e Trazione come mostrato di seguito.
Funzionamento di un trasduttore piezoelettrico
Trasduttore piezoelettrico Formula
L'orientamento del cristallo influisce anche sulla quantità di tensione generata. Il cristallo in un trasduttore può essere disposto in posizione longitudinale o posizione trasversale .
Trasduttore piezoelettrico Formula
Effetto longitudinale e trasversale
Nell'effetto longitudinale, la carica generata è data da
Q = F * d
Dove F è la forza applicata, d è il coefficiente piezoelettrico del cristallo.
Il coefficiente piezoelettrico d del cristallo di quarzo è di circa 2,3 * 10-12C / N.
Nell'effetto trasversale, la carica generata è data da
Q = F * d * (b / a)
Quando il rapporto b / a è maggiore di 1, la carica prodotta dalla disposizione trasversale sarà maggiore della quantità generata dalla disposizione longitudinale.
Circuito trasduttore piezoelettrico
Il funzionamento di un trasduttore piezoelettrico di base può essere spiegato dalla figura seguente.
Circuito trasduttore piezoelettrico
Qui il cristallo di quarzo rivestito di argento viene utilizzato come sensore per generare una tensione quando viene applicato uno stress su di esso. Un amplificatore di carica viene utilizzato per misurare la carica prodotta senza dissipazione. Per assorbire una corrente molto bassa la resistenza R1 è molto alta. La capacità del filo conduttore che collega il trasduttore e sensore piezoelettrico influisce anche sulla calibrazione. Quindi l'amplificatore di carica è solitamente posizionato molto vicino al sensore.
Quindi in un trasduttore piezoelettrico quando viene applicata una sollecitazione meccanica viene generata una tensione elettrica proporzionale che viene amplificata utilizzando un amplificatore di carica e utilizzata per la calibrazione della sollecitazione applicata.
Trasduttore a ultrasuoni piezoelettrico
Il trasduttore piezoelettrico a ultrasuoni funziona secondo il principio del contrario effetto piezoelettrico . In questo effetto, quando l'elettricità viene applicata a un materiale piezoelettrico, subisce deformazioni fisiche proporzionali alla carica applicata. Il circuito di trasduttore ultrasonico è dato di seguito.
Trasduttore piezoelettrico a ultrasuoni
Qui, il cristallo di quarzo è posto tra due piastre metalliche A e B collegate al primario L3 del trasformatore. Il primario del trasformatore è accoppiato induttivamente al oscillatore elettronico . Le bobine L1 e L2, che formano il secondario del trasformatore, sono collegate all'oscillatore elettronico.
Quando la batteria è accesa l'oscillatore produce impulsi di tensione alternata ad alta frequenza con una frequenza f = 1 ÷ (2π√L1C1). A causa di ciò, una e.m.f viene indotta in L3 che viene trasferita al cristallo di quarzo attraverso le piastre A e B. A causa dell'effetto piezoelettrico inverso, il cristallo inizia a contrarsi ed espandersi alternativamente creando vibrazioni meccaniche.
La risonanza si verifica quando la frequenza del oscillatore elettronico è uguale alla frequenza naturale del quarzo. A questo punto, il quarzo produce onde ultrasoniche longitudinali di grande ampiezza.
Applicazioni del trasduttore piezoelettrico
- Poiché i materiali piezoelettrici non possono misurare valori statici, questi vengono utilizzati principalmente per misurare la rugosità superficiale, negli accelerometri e come rilevatori di vibrazioni.
- Sono utilizzati in sismografi per misurare le vibrazioni nei razzi.
- Negli estensimetri per misurare forza, stress, vibrazioni ecc ...
- Utilizzato dalle industrie automobilistiche per misurare le detonazioni nei motori.
- Questi sono usati in imaging ultrasonico nelle applicazioni mediche.
Vantaggi e limitazioni dei trasduttori piezoelettrici
I vantaggi e le limitazioni dei trasduttori piezoelettrici includono quanto segue.
Vantaggi
- Sono trasduttori attivi cioè non richiedono alimentazione esterna per funzionare e sono quindi autogeneranti.
- La risposta ad alta frequenza di questi trasduttori rappresenta una buona scelta per varie applicazioni.
Limitazioni
- La temperatura e le condizioni ambientali possono influenzare il comportamento del trasduttore.
- Possono solo misurare la pressione variabile, quindi sono inutili durante la misurazione dei parametri statici.
Quindi, questo è tutto Trasduttore piezoelettrico , Principio di funzionamento, formula, circuito con funzionamento, vantaggi, limitazioni e anche applicazioni. Dalle informazioni di cui sopra, ci sono varie applicazioni del trasduttore piezoelettrico come abbiamo discusso. Per quale applicazione hai utilizzato il trasduttore piezoelettrico? Come è stata la tua esperienza?
