Transductor piezoeléctrico: aplicaciones y principio de funcionamiento

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¿Qué es el transductor piezoeléctrico?

Un transductor piezoeléctrico (también conocido como sensor piezoeléctrico) es un dispositivo que utiliza el efecto piezoeléctrico para medir cambios en la aceleración, presión, deformación, temperatura o fuerza al convertir esta energía en una carga eléctrica.

Un transductor puede ser cualquier cosa que convierta una forma de energía en otra. El material piezoeléctrico es un tipo de transductores. Cuando exprimimos este material piezoeléctrico o aplicamos alguna fuerza o presión, el transductor convierte esta energía en voltaje. Este voltaje es función de la fuerza o presión que se le aplica.

El voltaje eléctrico producido por un transductor piezoeléctrico se puede medir fácilmente con los instrumentos de medición de voltaje . Dado que este voltaje será una función de la fuerza o presión que se le aplique, podemos inferir cuál fue la fuerza / presión por la lectura del voltaje. De esta manera, las magnitudes físicas como la tensión mecánica o la fuerza se pueden medir directamente utilizando un transductor piezoeléctrico.

¿Qué es el transductor piezoeléctrico?

Actuador piezoeléctrico

Un actuador piezoeléctrico se comporta a la inversa del sensor piezoeléctrico. Es aquel en el que el efecto eléctrico hará que el material se deforme, es decir, se estire o se doble.

Eso significa que en un sensor piezoeléctrico, cuando se aplica fuerza para estirarlo o doblarlo, se genera un potencial eléctrico y, en sentido contrario, cuando en un actuador piezoeléctrico , se aplica un potencial eléctrico, se deforma, es decir, se estira o se dobla.

Actuador piezoeléctrico

Un transductor piezoeléctrico consta de cristal de cuarzo que está hecho de silicio y oxígeno dispuestos en una estructura cristalina (SiO 2 ). Generalmente, la celda unitaria (unidad básica de repetición) de todo cristal es simétrica, pero en el cristal de cuarzo piezoeléctrico, no lo es. Los cristales piezoeléctricos son eléctricamente neutros.

Los átomos dentro de ellos pueden no estar dispuestos simétricamente, pero sus cargas eléctricas están equilibradas, lo que significa que las cargas positivas cancelan la carga negativa. El cristal de cuarzo tiene la propiedad única de generar polaridad eléctrica cuando se le aplica tensión mecánica a lo largo de un cierto plano. Básicamente, hay dos tipos de estrés. Uno es el esfuerzo de compresión y el otro es el esfuerzo de tracción.

Cuarzo piezoeléctrico

Cuando hay cuarzo no acentuado, no se le induce ninguna carga. En el caso de la tensión de compresión, se inducen cargas positivas en un lado y cargas negativas en el lado opuesto. El tamaño del cristal se vuelve más delgado y más largo debido a la tensión de compresión. En el caso de la tensión de tracción, las cargas se inducen a la inversa en comparación con la tensión de compresión y el cristal de cuarzo se vuelve más corto y más grueso.

Un transductor piezoeléctrico se basa en el principio del efecto piezoeléctrico. La palabra piezoeléctrico se deriva de la palabra griega piezen, que significa apretar o presionar. El efecto piezoeléctrico establece que cuando se aplican esfuerzos o fuerzas mecánicas sobre el cristal de cuarzo, se producen cargas eléctricas en la superficie del cristal de cuarzo. El efecto piezoeléctrico es descubierto por Pierre y Jacques Curie. La tasa de carga producida será proporcional a la tasa de cambio de la tensión mecánica que se le aplica. Mayor será el estrés, mayor será el voltaje.

Una de las características únicas del efecto piezoeléctrico es que es un medio reversible cuando se les aplica voltaje, tienden a cambiar de dimensión junto con cierto plano, es decir, la estructura del cristal de cuarzo se coloca en un campo eléctrico, deformará el cristal de cuarzo en una cantidad proporcional a la fuerza del campo eléctrico. Si la misma estructura se coloca en un campo eléctrico con la dirección del campo invertida, la deformación será la opuesta.

Efecto piezoeléctrico

El cristal de cuarzo se alarga debido al campo eléctrico aplicado.

Sensor piezoeléctrico

El cristal de cuarzo se acorta debido al campo eléctrico aplicado en dirección inversa.
Es un transductor autogenerado. No requiere una fuente de voltaje eléctrico para su funcionamiento. El voltaje eléctrico producido por el transductor piezoeléctrico varía linealmente según la tensión o fuerza aplicada.

El transductor piezoeléctrico tiene una alta sensibilidad. Entonces, actúa como sensor y se usa en acelerómetro debido a su excelente frecuencia de respuesta. El efecto piezoeléctrico se utiliza en muchas aplicaciones que involucran la producción y detección de sonido, generación de frecuencia electrónica. Actúa como una fuente de ignición para el encendedor de cigarrillos y se utiliza en la medición de sonar, micrófono, fuerza, presión y desplazamiento.

Aplicación de materiales piezoeléctricos

Al utilizar materiales piezoeléctricos, los transductores piezoeléctricos se pueden utilizar en una variedad de aplicaciones, que incluyen:

  1. En los micrófonos, la presión del sonido se convierte en una señal eléctrica y esta señal finalmente se amplifica para producir un sonido más fuerte.
  2. Los cinturones de seguridad de los automóviles se bloquean en respuesta a una desaceleración rápida que también se realiza utilizando un material piezoeléctrico.
  3. También se utiliza en diagnósticos médicos.
  4. Se utiliza en encendedor eléctrico utilizado en cocinas. La presión ejercida sobre el sensor piezoeléctrico crea una señal eléctrica que finalmente hace que el flash se encienda.
  5. Se utilizan para estudiar ondas de choque y ondas expansivas de alta velocidad.
  6. Tratamiento de infertilidad usado.
  7. Utilizado en impresoras de inyección de tinta
  8. También se utiliza en restaurantes o aeropuertos donde cuando una persona se acerca a la puerta y la puerta se abre automáticamente. En este, el concepto utilizado es cuando una persona está cerca de la puerta, se ejerce presión sobre los sensores por lo que se produce el efecto eléctrico y la puerta se abre automáticamente.

Ejemplos de material piezoeléctrico

Los materiales son:

  1. Titanato de bario.
  2. Titanato de circonato de plomo (PZT).
  3. Sal de Rochelle.

El transductor ultrasónico piezoeléctrico

Produce frecuencias que están muy por encima de las que puede escuchar el oído humano. Se expande y contrae rápidamente cuando se somete a cualquier voltaje. Normalmente se utiliza en una aspiradora.

Zumbador piezoeléctrico

Un zumbador es cualquier cosa que produzca sonido. Son impulsados ​​por el circuito electrónico oscilante. Un elemento piezoeléctrico puede ser impulsado por un circuito electrónico oscilante u otra fuente de señal de audio, impulsado por un amplificador de audio piezoeléctrico. Un blick, un timbre o un pitido son comúnmente utilizados para indicar que se ha presionado un botón.

Un zumbador piezoeléctrico (o zumbador piezoeléctrico) depende de la resonancia de la cavidad acústica (o resonancia de Helmholtz) para producir un pitido audible.

Ventajas del transductor piezoeléctrico

Las ventajas de los transductores piezoeléctricos son:

  1. Sin necesidad de una fuerza externa
  2. Fácil de manejar y usar ya que tiene pequeñas dimensiones.
  3. Respuesta de alta frecuencia significa que los parámetros cambian muy rápidamente

Desventajas del transductor piezoeléctrico

Las desventajas de los transductores piezoeléctricos son:

  1. No es adecuado para medir en condiciones estáticas.
  2. Se ve afectado por las temperaturas
  3. La salida es baja, por lo que se le conecta un circuito externo
  4. Es muy difícil dar la forma deseada a este material y también la resistencia deseada.

JORGE CABRERA BERRÍOS Administrator
Ingeniero Electrónico por la UNI, con maestría y doctorado por la University of Electro-Communications (Japón).

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