Sensor piezoeléctrico:circuito, especificaciones y aplicaciones

Sensores son dispositivos que se utilizan para detectar o sentir los diferentes tipos de cantidades físicas del entorno. La entrada puede ser luz, calor, movimiento, humedad, presión, vibraciones, etc. La salida generada suele ser una señal eléctrica proporcional a la entrada aplicada. Esta salida se utiliza para calibrar la entrada o la señal de salida se transmite a través de una red para su posterior procesamiento. Según la entrada a medir, existen varios tipos de sensores. termómetro a base de mercurio actúa como un sensor de temperatura , un sensor de oxígeno en el sistema de control de emisiones de los automóviles detecta oxígeno, el sensor fotográfico detecta la presencia de luz visible. En este artículo, describiríamos el sensor piezoeléctrico . Consulte el enlace para obtener más información sobre el efecto piezoeléctrico.

Definición de sensor piezoeléctrico

Un sensor que funciona según el principio de piezoelectricidad se conoce como sensor piezoeléctrico. Donde la piezoelectricidad es un fenómeno en el que se genera electricidad si se aplica tensión mecánica a un material. No todos los materiales tienen características piezoeléctricas.

Hay varios tipos de materiales piezoeléctricos. Ejemplos de materiales piezoeléctricos son cuarzo cristalino natural disponible, hueso, etc. Fabricados artificialmente como cerámica PZT, etc.

Funcionamiento de un sensor piezoeléctrico

Las cantidades físicas comúnmente medidas por un sensor piezoeléctrico son Aceleración y Presión. Tanto los sensores de presión como los de aceleración funcionan según el mismo principio de piezoelectricidad, pero la principal diferencia entre ellos es la forma en que se aplica la fuerza a su elemento sensor.

En el sensor de presión, se coloca una membrana delgada sobre una base maciza para transferir la fuerza aplicada al elemento piezoeléctrico . Al aplicar presión sobre esta delgada membrana, el material piezoeléctrico se carga y comienza a generar voltajes eléctricos. El voltaje producido es proporcional a la cantidad de presión aplicada.

En acelerómetros , la masa sísmica se une al elemento de cristal para transferir la fuerza aplicada a los materiales piezoeléctricos. Cuando se aplica movimiento, la carga de masa sísmica es el material piezoeléctrico de acuerdo con la segunda ley de Newton de movimiento. El material piezoeléctrico genera una carga que se utiliza para la calibración del movimiento.

Se utiliza un elemento de compensación de aceleración junto con un sensor de presión ya que estos sensores pueden captar vibraciones no deseadas y mostrar lecturas falsas.

Circuito del sensor piezoeléctrico

Arriba se proporciona un circuito interno de sensor piezoeléctrico. La resistencia Ri es la resistencia interna o resistencia del aislante. La inductancia se debe a la inercia del sensor. La capacitancia Ce es inversamente proporcional a la elasticidad del material del sensor. Para una respuesta adecuada del sensor, la carga y la resistencia a las fugas deben ser lo suficientemente grandes para que se conserven las bajas frecuencias. Un sensor puede denominarse transductor de presión. en una señal eléctrica. Los sensores también se conocen como transductores primarios.

Especificaciones del sensor piezoeléctrico

Algunas de las características básicas de los sensores piezoeléctricos son

• • El rango de medición: Este rango está sujeto a límites de medición.

• • Sensibilidad S: Relación entre el cambio en la señal de salida ∆y y la señal que provocó el cambio ∆x.
    S =∆y / ∆x.
  • Fiabilidad: Esto se debe a la capacidad de los sensores para mantener las características en ciertos límites bajo condiciones operativas establecidas.

Además de estos, algunas de las especificaciones de los sensores piezoeléctricos son un umbral de reacción, errores, tiempo de indicación, etc.

• Estos sensores contienen un valor de impedancia ≤500Ω.
• Estos sensores generalmente operan en un rango de temperatura de aproximadamente -20 ° C a + 60 ° C.
• Estos sensores deben mantenerse a una temperatura entre -30 ° C y + 70 ° C para evitar su degradación.
• Estos sensores tienen una soldadura muy baja temperatura.
• La sensibilidad a la deformación de un sensor piezoeléctrico es de 5 V / µƐ.
• Debido a su alta flexibilidad, el cuarzo es el material más preferido como sensor piezoeléctrico.

Sensor piezoeléctrico usando Arduino

Como tenemos que saber qué es un sensor piezoeléctrico, veamos una aplicación simple de este sensor usando Arduino. Aquí estamos tratando de alternar un LED cuando el sensor de presión detecta suficiente fuerza.

Hardware requerido

• Placa Arduino .
• Sensor de presión piezoeléctrico.
• LED
• Resistencia de 1 MΩ.

Diagrama de circuito:

• Aquí, el cable positivo del sensor indicado con cable rojo está conectado al pin analógico A0 de la placa Arduino, mientras que el cable negativo indicado con cable negro está conectado a tierra.
• Una resistencia de 1 MΩ se conecta en paralelo al elemento piezoeléctrico para limitar el voltaje y la corriente producidos por el elemento piezoeléctrico y para proteger la entrada analógica de vibraciones no deseadas.
• El ánodo LED está conectado al pin digital D13 del Arduino y el cátodo está conectado a tierra.

Trabajando

Se establece un valor de umbral de 100 en el circuito para que el sensor no se active para vibraciones inferiores al umbral. De esta forma, podemos eliminar pequeñas vibraciones no deseadas. Cuando el voltaje de salida generado por el elemento sensor es mayor que el valor umbral, el LED cambia de estado, es decir, si está en el estado ALTO, pasa a BAJO. Si el valor es inferior al umbral, el LED no cambia de estado y permanece en su estado anterior.

Código

const int ledPin =13; // LED conectado al pin digital 13
const int Sensor =A0; // Sensor conectado al pin analógico A0
const int umbral =100; // El umbral se establece en 100
int sensorReading =0; // variable para almacenar el valor leído desde el pin del sensor
int ledState = BAJO ; // variable utilizada para almacenar el último estado del LED, para alternar la luz

configuración vacía ()
{
pinMode (ledPin, OUTPUT); // declara el ledPin como SALIDA
}

void loop ()
{
// leer el sensor y almacenarlo en la variable sensorReading:
sensorReading =analogRead (Sensor);

// si la lectura del sensor es mayor que el umbral:
if (sensorReading> =umbral)
{
// cambia el estado del ledPin:
ledState =! ledState;
// actualiza el pin LED:
digitalWrite (ledPin, ledState);
delay (10000); // retardo
}
else
{
digitalWrite (ledPin, ledState); // el estado inicial del LED, es decir, BAJO.
}
}

Aplicaciones de sensores piezoeléctricos

• • Los sensores piezoeléctricos se utilizan para la detección de descargas .

• • Los sensores piezoeléctricos activos se utilizan para medidores de espesor, sensores de flujo.

• • Los sensores piezoeléctricos pasivos se utilizan como micrófonos, acelerómetros, pastillas musicales, etc.

• • Los sensores piezoeléctricos también se utilizan para imágenes de ultrasonido.
  • Estos sensores se utilizan para mediciones ópticas, mediciones de micro movimiento, electroacústica, etc.

Por lo tanto, se trata de lo que es un sensor piezoeléctrico, propiedades, especificaciones y también una interfaz simple del sensor usando la placa Arduino. Estos sensores fáciles de usar encuentran un lugar en varias aplicaciones. ¿Cómo ha utilizado estos sensores en su proyecto? ¿Cuál fue el mayor desafío al que se enfrentó al usar estos sensores?