¿Qué es un transductor piezoeléctrico? Diagrama de circuito, trabajo y aplicaciones

En nuestro día a día, nos encontramos con varias situaciones en las que tenemos que medir cantidades físicas como el estrés mecánico aplicado sobre metal, niveles de temperatura, niveles de presión, etc. Para todas estas aplicaciones necesitamos un dispositivo que pueda medir estas cantidades desconocidas en unidades y calibraciones que nos son familiares. Uno de esos dispositivos que nos resulta más útil es el TRANSDUCTOR . El transductor es un dispositivo eléctrico que puede convertir cualquier tipo de cantidad física en forma de cantidad eléctrica proporcional, ya sea como voltaje o corriente eléctrica . . De la gran cantidad de varios tipos de transductores, este artículo tiene como objetivo explicar acerca de los transductores piezoeléctricos .

¿Qué es el transductor piezoeléctrico?

La definición de un transductor piezoeléctrico es un transductor eléctrico que puede convertir cualquier forma de cantidad física en una señal eléctrica , que se puede utilizar para la medición. Un transductor eléctrico que utiliza propiedades de materiales piezoeléctricos para la conversión de cantidades físicas en señales eléctricas se conoce como transductor piezoeléctrico.

Los materiales piezoeléctricos exhiben la propiedad de piezoelectricidad , según el cual ante la aplicación de cualquier tipo de esfuerzo o deformación mecánica se genera una tensión eléctrica proporcional al esfuerzo aplicado. Esta tensión eléctrica producida se puede medir utilizando instrumentos de medición de tensión. para calcular el valor de la tensión o deformación aplicada al material.

Tipos de materiales piezoeléctricos

Algunos de los tipos de materiales piezoeléctricos son:

Naturalmente disponibles: Cuarzo, sal de Rochelle, topacio, minerales del grupo de la turmalina y algunas sustancias orgánicas como seda, madera, esmalte, hueso, cabello, caucho, dentina. Fabrica artificialmente materiales piezoeléctricos son difluoruro de polivinilideno, PVDF o PVF2, titanato de bario, titanato de plomo, titanato de circonato de plomo (PZT), niobato de potasio, niobato de litio, tantalato de litio y otras cerámicas piezoeléctricas sin plomo.

No todos los materiales piezoeléctricos se pueden utilizar en transductores piezoeléctricos . Hay ciertos requisitos que deben cumplir los materiales piezoeléctricos que se utilizarán como transductores. Los materiales utilizados para fines de medición deben tener estabilidad de frecuencia, valores de salida altos, insensibles a las condiciones extremas de temperatura y humedad y que pueden estar disponibles en varias formas o deben ser flexibles para fabricarse en varias formas sin alterar sus propiedades.

Desafortunadamente, no existe ningún material piezoeléctrico que tenga todas estas propiedades. Cuarzo es un cristal muy estable que está disponible de forma natural pero tiene niveles de salida pequeños. Los parámetros que varían lentamente se pueden medir con cuarzo. La sal de Rochelle da los valores de salida más altos, pero es sensible a las condiciones ambientales y no se puede operar por encima de 1150F.

Funcionamiento del transductor piezoeléctrico

Transductor piezoeléctrico trabaja con el principio de piezoelectricidad. Las caras de material piezoeléctrico, el cuarzo habitual, se recubren con una fina capa de material conductor como la plata. Cuando se ha aplicado tensión, los iones del material se mueven hacia una de las superficies conductoras mientras se alejan de la otra. Esto da como resultado la generación de carga. Esta carga se utiliza para la calibración de la tensión. La polaridad de la carga producida depende de la dirección de la tensión aplicada. El estrés se puede aplicar de dos formas como estrés presivo y tensión de tracción como se muestra a continuación.

Fórmula del transductor piezoeléctrico

La orientación del cristal también afecta la cantidad de voltaje generado. El cristal en un transductor se puede colocar en posición longitudinal o posición transversal .

Efecto longitudinal y transversal

En el efecto longitudinal, la carga generada viene dada por

Q =F * d

Donde F es la fuerza aplicada, d es el coeficiente piezoeléctrico del cristal.

El coeficiente piezoeléctrico d del cristal de cuarzo es de alrededor de 2,3 * 10 ^-12 C / N.

En el efecto transversal, la carga generada viene dada por

Q =F * d * (b / a)

Cuando la relación b / a es mayor que 1, la carga producida por la disposición transversal será mayor que la cantidad generada por la disposición longitudinal.

Circuito transductor piezoeléctrico

El funcionamiento de un transductor piezoeléctrico básico se puede explicar en la siguiente figura.

Aquí, el cristal de cuarzo recubierto con plata se usa como sensor para generar un voltaje cuando se le aplica tensión. Se utiliza un amplificador de carga para medir la carga producida sin disipación. Para consumir una corriente muy baja, la resistencia R1 es muy alta. La capacitancia del cable que conecta el transductor y el sensor piezoeléctrico también afecta la calibración. Por lo tanto, el amplificador de carga generalmente se coloca muy cerca del sensor.

Entonces, en un transductor piezoeléctrico, cuando se aplica tensión mecánica, se genera un voltaje eléctrico proporcional que se amplifica utilizando un amplificador de carga y se utiliza para la calibración de la tensión aplicada.

Transductor ultrasónico piezoeléctrico

El transductor piezoeléctrico ultrasónico funciona según el principio del efecto piezoeléctrico inverso . En este efecto, cuando se aplica electricidad a un material piezoeléctrico, éste sufre deformaciones físicas proporcionales a la carga aplicada. El circuito del transductor ultrasónico se da a continuación.

Aquí, el cristal de cuarzo se coloca entre dos placas metálicas A y B que están conectadas al primario L3 del transformador. El primario del transformador está acoplado inductivamente al oscilador electrónico . Las bobinas L1 y L2, que forman el secundario del transformador, están conectadas al oscilador electrónico.

Cuando la batería está encendida, el oscilador produce pulsos de voltaje alterno de alta frecuencia con una frecuencia f =1 ÷ (2π√L1C1). Debido a esto, se induce una fem en L3 que se transfiere al cristal de cuarzo a través de las placas A y B. Debido al efecto piezoeléctrico inverso, el cristal comienza a contraerse y expandirse alternativamente creando vibraciones mecánicas.

La resonancia tiene lugar cuando la frecuencia del oscilador electrónico es igual a la frecuencia natural del cuarzo. En este punto, el cuarzo produce ondas ultrasónicas longitudinales de gran amplitud.

Aplicaciones de transductores piezoeléctricos

• Como los materiales piezoeléctricos no pueden medir valores estáticos, se utilizan principalmente para medir la rugosidad de la superficie, en acelerómetros y como captador de vibraciones.
• Se utilizan en sismógrafos para medir vibraciones en cohetes.
• En galgas extensiométricas para medir fuerza, tensión, vibraciones, etc.
• Utilizado por la industria automotriz para medir detonaciones en motores.
• Se utilizan en imágenes ultrasónicas en aplicaciones médicas.

Ventajas y limitaciones de los transductores piezoeléctricos

Las ventajas y limitaciones de los transductores piezoeléctricos incluyen las siguientes.

Ventajas

• Estos son transductores activos, es decir, no requieren energía externa para funcionar y, por lo tanto, son autogeneradores.
• La respuesta de alta frecuencia de estos transductores es una buena opción para varias aplicaciones.

Limitaciones

• La temperatura y las condiciones ambientales pueden afectar el comportamiento del transductor.
• Solo pueden medir la presión cambiante, por lo tanto, son inútiles mientras miden parámetros estáticos.

Por lo tanto, se trata de transductor piezoeléctrico, principio de funcionamiento, fórmula, circuito con funcionamiento, ventajas, limitaciones y también aplicaciones. A partir de la información anterior, hay varias aplicaciones del transductor piezoeléctrico como hemos discutido. ¿Para qué aplicación ha utilizado el transductor piezoeléctrico? ¿Cómo fue tu experiencia?