O que é um transdutor piezoelétrico? Diagrama de circuito, trabalho e aplicações

Em nossa vida cotidiana, nos deparamos com várias situações em que temos que medir quantidades físicas, como estresse mecânico aplicado em metal, níveis de temperatura, níveis de pressão etc ... Para todas essas aplicações, precisamos de um dispositivo que possa medir essas quantidades desconhecidas em unidades e calibrações familiares para nós. Um desses dispositivos que é mais útil para nós é o TRANSDUTOR . O transdutor é um dispositivo elétrico que pode converter qualquer tipo de grandeza física na forma de grandeza elétrica proporcional, seja como tensão ou corrente elétrica . A partir do grande conjunto de vários tipos de transdutores, este artigo tem como objetivo explicar sobre os transdutores piezoelétricos .

O que é transdutor piezoelétrico?

A definição de um transdutor piezoelétrico é um transdutor elétrico que pode converter qualquer forma de quantidade física em um sinal elétrico , que pode ser usado para medição. Um transdutor elétrico que usa propriedades de materiais piezoelétricos para a conversão de grandezas físicas em sinais elétricos é conhecido como transdutor piezoelétrico.

Materiais piezoelétricos exibem a propriedade de piezoeletricidade , segundo o qual a aplicação de qualquer tipo de esforço ou deformação mecânica leva à geração de uma tensão elétrica proporcional ao esforço aplicado. Esta voltagem elétrica produzida pode ser medida usando instrumentos de medição de voltagem para calcular o valor de tensão ou deformação aplicada ao material.

Tipos de materiais piezoelétricos

Alguns dos tipos de materiais piezoelétricos são:

Naturalmente disponíveis: Quartzo, sal de Rochelle, topázio, minerais do grupo da turmalina e algumas substâncias orgânicas como seda, madeira, esmalte, osso, cabelo, borracha, dentina. Fabrica artificialmente materiais piezoelétricos são difluoreto de polivinilideno, PVDF ou PVF2, titanato de bário, titanato de chumbo, titanato de zirconato de chumbo (PZT), niobato de potássio, niobato de lítio, tantalato de lítio e outras cerâmicas piezoelétricas sem chumbo.

Nem todos os materiais piezoelétricos podem ser usados ​​em transdutores piezoelétricos . Existem certos requisitos a serem cumpridos pelos materiais piezoelétricos a serem usados ​​como transdutores. Os materiais utilizados para fins de medição devem ter estabilidade de frequência, valores de saída elevados, insensíveis às condições extremas de temperatura e umidade e que podem estar disponíveis em vários formatos ou devem ser flexíveis para serem fabricados em vários formatos sem perturbar suas propriedades.

Infelizmente, não há material piezoelétrico com todas essas propriedades. Quartzo é um cristal altamente estável que está naturalmente disponível, mas tem níveis de saída pequenos. Parâmetros que variam lentamente podem ser medidos com quartzo. O sal de Rochelle fornece os valores de saída mais altos, mas é sensível às condições ambientais e não pode ser operado acima de 1150F.

Transdutor piezoelétrico funcionando

Transdutor piezoelétrico trabalha com o princípio da piezoeletricidade. As faces do material piezoelétrico, o quartzo usual, são revestidas com uma fina camada de material condutor, como a prata. Quando a tensão é aplicada, os íons do material se movem em direção a uma das superfícies condutoras enquanto se afastam da outra. Isso resulta na geração de carga. Esta carga é usada para calibração de estresse. A polaridade da carga produzida depende da direção da tensão aplicada. O estresse pode ser aplicado de duas formas, como C estresse ompressivo e tensão de tração como mostrado abaixo.

Fórmula do transdutor piezoelétrico

A orientação do cristal também afeta a quantidade de voltagem gerada. O cristal em um transdutor pode ser disposto na posição longitudinal ou posição transversal .

Efeito longitudinal e transversal

No efeito longitudinal, a carga gerada é dada por

Q =F * d

Onde F é a força aplicada, d é o coeficiente piezoelétrico do cristal.

O coeficiente piezoelétrico d do cristal de quartzo é cerca de 2,3 * 10 ^-12 C / N.

No efeito transversal, a carga gerada é dada por

Q =F * d * (b / a)

Quando a razão b / a for maior que 1, a carga produzida pelo arranjo transversal será maior do que a quantidade gerada pelo arranjo longitudinal.

Circuito transdutor piezoelétrico

O funcionamento de um transdutor piezoelétrico básico pode ser explicado pela figura abaixo.

Aqui, o cristal de quartzo revestido com prata é usado como um sensor para gerar uma tensão quando é aplicada tensão nele. Um amplificador de carga é usado para medir a carga produzida sem dissipação. Para desenhar uma corrente muito baixa, a resistência R1 é muito alta. A capacitância do fio condutor que conecta o transdutor e o sensor piezoelétrico também afeta a calibração. Portanto, o amplificador de carga é geralmente colocado muito próximo ao sensor.

Portanto, em um transdutor piezoelétrico, quando o estresse mecânico é aplicado, uma tensão elétrica proporcional é gerada, a qual é amplificada usando um amplificador de carga e usada para calibração do estresse aplicado.

Transdutor ultrassônico piezoelétrico

O transdutor piezoelétrico ultrassônico funciona segundo o princípio do efeito piezoelétrico inverso . Nesse efeito, quando a eletricidade é aplicada a um material piezoelétrico, ele sofre deformações físicas proporcionais à carga aplicada. O circuito do transdutor ultrassônico é dado abaixo.

Aqui, o cristal de quartzo é colocado entre duas placas de metal A e B que estão conectadas ao L3 primário do transformador. O primário do transformador é indutivamente acoplado ao oscilador eletrônico . As bobinas L1 e L2, que formam o secundário do transformador, são conectadas ao oscilador eletrônico.

Quando a bateria é ligada, o oscilador produz pulsos de tensão alternada de alta frequência com uma frequência f =1 ÷ (2π√L1C1). Devido a isso, um e.m.f é induzido em L3, que é transferido para o cristal de quartzo através das placas A e B. Devido ao efeito piezoelétrico inverso, o cristal começa a se contrair e expandir alternadamente, criando assim vibrações mecânicas.

A ressonância ocorre quando a frequência do oscilador eletrônico é igual à frequência natural do quartzo. Neste ponto, o quartzo produz ondas ultrassônicas longitudinais de grande amplitude.

Aplicativos de transdutor piezoelétrico

• Como os materiais piezoelétricos não podem medir valores estáticos, eles são usados ​​principalmente para medir a rugosidade da superfície, em acelerômetros e como captador de vibração.
• Eles são usados ​​em sismógrafos para medir vibrações em foguetes.
• Em medidores de tensão para medir força, estresse, vibrações, etc ...
• Usado por indústrias automotivas para medir detonações em motores.
• Eles são usados ​​em imagens ultrassônicas em aplicações médicas.

Vantagens e limitações dos transdutores piezoelétricos

As vantagens e limitações dos transdutores piezoelétricos incluem o seguinte.

Vantagens

• Estes são transdutores ativos, ou seja, não requerem energia externa para funcionar e, portanto, são autogerados.
• A resposta de alta frequência desses transdutores é uma boa escolha para várias aplicações.

Limitações

• A temperatura e as condições ambientais podem afetar o comportamento do transdutor.
• Eles só podem medir a mudança de pressão, portanto, são inúteis ao medir parâmetros estáticos.

Portanto, tudo se resume a Transdutor Piezoelétrico, Princípio de Funcionamento, Fórmula, Circuito com Funcionamento, Vantagens, Limitações e também Aplicações. A partir das informações acima, existem várias aplicações do transdutor piezoelétrico conforme discutimos. Para qual aplicação você usou o transdutor piezoelétrico? Como foi sua experiencia