Sensor piezoelétrico:Circuito, Especificações e Aplicações

Sensores são dispositivos usados ​​para detectar ou sentir os diferentes tipos de quantidades físicas do ambiente. A entrada pode ser luz, calor, movimento, umidade, pressão, vibrações etc ... A saída gerada geralmente é um sinal elétrico proporcional à entrada aplicada. Esta saída é usada para calibrar a entrada ou o sinal de saída é transmitido por uma rede para processamento posterior. Com base na entrada a ser medida, existem vários tipos de sensores. termômetro à base de mercúrio atua como um sensor de temperatura , um sensor de oxigênio no sistema de controle de emissão de carros detecta oxigênio, fotossensor detecta a presença de luz visível. Neste artigo, descreveríamos o sensor piezoelétrico . Consulte o link para saber mais sobre o efeito piezoelétrico.

Definição de um sensor piezoelétrico

Um sensor que funciona com base no princípio da piezoeletricidade é conhecido como sensor piezoelétrico. Onde a piezoeletricidade é um fenômeno em que a eletricidade é gerada se o estresse mecânico é aplicado a um material. Nem todos os materiais possuem características piezoelétricas.

Existem vários tipos de materiais piezoelétricos. Exemplos de materiais piezoelétricos são naturais de quartzo de cristal único, osso, etc ... Artificialmente fabricados como cerâmica PZT, etc ...

Funcionamento de um sensor piezoelétrico

As grandezas físicas comumente medidas por um sensor piezoelétrico são aceleração e pressão. Os sensores de pressão e aceleração funcionam com o mesmo princípio de piezoeletricidade, mas a principal diferença entre eles é a forma como a força é aplicada ao seu elemento sensor.

No sensor de pressão, uma membrana fina é colocada em uma base maciça para transferir a força aplicada ao elemento piezoelétrico . Após a aplicação de pressão nesta membrana fina, o material piezoelétrico é carregado e começa a gerar tensões elétricas. A tensão produzida é proporcional à quantidade de pressão aplicada.

Em acelerômetros , a massa sísmica é fixada ao elemento de cristal para transferir a força aplicada aos materiais piezoelétricos. Quando o movimento é aplicado, a carga de massa sísmica é o material piezoelétrico de acordo com a segunda lei de Newton de movimento. O material piezoelétrico gera carga usada para calibração do movimento.

Um elemento de compensação de aceleração é usado junto com um sensor de pressão já que esses sensores podem captar vibrações indesejadas e mostrar leituras falsas.

Circuito do sensor piezoelétrico

Um circuito interno do sensor piezoelétrico é fornecido acima. A resistência Ri é a resistência interna ou resistência do isolador. A indutância é devido à inércia do sensor. A capacitância Ce é inversamente proporcional à elasticidade do material do sensor. Para a resposta adequada do sensor, a carga e a resistência ao vazamento devem ser grandes o suficiente para que as baixas frequências sejam preservadas. Um sensor pode ser chamado de transdutor de pressão em um sinal elétrico. Os sensores também são conhecidos como transdutores primários.

Especificações do sensor piezoelétrico

Algumas das características básicas dos sensores piezoelétricos são

• • O intervalo de medição: Este intervalo está sujeito a limites de medição.

• • Sensibilidade S: Razão de mudança no sinal de saída ∆y para o sinal que causou a mudança ∆x.
    S =∆y / ∆x.
  • Confiabilidade: Isso explica a capacidade dos sensores de manter as características em certos limites sob condições operacionais definidas.

Além dessas, algumas das especificações dos sensores piezoelétricos são um limite de reação, erros, tempo de indicação etc ...

• Esses sensores contêm um valor de impedância ≤500Ω.
• Esses sensores geralmente operam em uma faixa de temperatura de aproximadamente -20 ° C a + 60 ° C.
• Esses sensores devem ser mantidos a uma temperatura entre -30 ° C e + 70 ° C para evitar que se degradem.
• Esses sensores têm solda muito baixa temperatura.
• A sensibilidade à deformação de um sensor piezoelétrico é de 5 V / µƐ.
• Devido à sua alta flexibilidade, o quartzo é o material preferido como sensor piezoelétrico.

Sensor piezoelétrico usando Arduino

Como precisamos saber o que é um sensor piezoelétrico, vamos dar uma olhada em uma aplicação simples desse sensor usando o Arduino. Aqui, estamos tentando alternar um LED quando o sensor de pressão detecta força suficiente.

Hardware necessário

• placa Arduino .
• Sensor de pressão piezoelétrico.
• LED
• 1 resistor MΩ.

Diagrama do circuito:

• Aqui, o fio positivo do sensor indicado com fio vermelho é conectado ao pino analógico A0 da placa Arduino, enquanto o fio negativo indicado com fio preto é conectado ao aterramento.
• Um resistor de 1 MΩ é conectado em paralelo ao elemento piezoelétrico para limitar a tensão e a corrente produzida pelo elemento piezoelétrico e para proteger a entrada analógica de vibrações indesejadas.
• O ânodo do LED é conectado ao pino digital D13 do Arduino e o cátodo é conectado ao aterramento.

Trabalhando

Um valor limite de 100 é definido para o circuito para que o sensor não seja ativado para vibrações menores que o limite. Com isso, podemos eliminar pequenas vibrações indesejadas. Quando a tensão de saída gerada pelo elemento sensor é maior do que o valor limite, o LED muda seu estado, ou seja, se estiver no estado ALTO, ele vai para BAIXO. Se o valor for inferior ao limite, o LED não muda seu estado e permanece em seu estado anterior.

Código

const int ledPin =13; // LED conectado ao pino digital 13
const int Sensor =A0; // Sensor conectado ao pino analógico A0
const int limiar =100; // O limite é definido como 100
int sensorReading =0; // variável para armazenar o valor lido do pino do sensor
int ledState = LOW ; // variável usada para armazenar o último status do LED, para alternar a luz

void setup ()
{
pinMode (ledPin, OUTPUT); // declara o ledPin como OUTPUT
}

void loop ()
{
// ler o sensor e armazená-lo na variável sensorReading:
sensorReading =analogRead (Sensor);

// se a leitura do sensor for maior que o limite:
if (sensorReading> =threshold)
{
// alternar o status do ledPin:
ledState =! ledState;
// atualizar o pino do LED:
digitalWrite (ledPin, ledState);
atraso (10000); // atraso
}
else
{
digitalWrite (ledPin, ledState); // o estado inicial do LED, ou seja, BAIXO.
}
}

Aplicações de sensores piezoelétricos

• • Sensores piezoelétricos são usados ​​para detecção de choque .

• • Sensores piezoelétricos ativos são usados ​​para medidor de espessura, sensor de fluxo.

• • Sensores piezoelétricos passivos são usados:microfones, acelerômetros, captadores musicais etc ...

• • Sensores piezoelétricos também são usados ​​para imagens de ultrassom.
  • Esses sensores são usados ​​para medições ópticas, medições de micro movimento, eletroacústica etc…

Portanto, isso é tudo sobre o que é um sensor piezoelétrico, propriedades, especificações e também interface simples do sensor usando a placa Arduino. Esses sensores simples de usar encontram um lugar em várias aplicações. Como você usou esses sensores em seu projeto? Qual foi o maior desafio que você enfrentou ao usar esses sensores?