En nuestro día a día, nos encontramos con diversas situaciones en las que tenemos que medir cantidades físicas como el estrés mecánico aplicado al 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 familiares para nosotros. 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 transductores piezoeléctricos .
¿Qué es el transductor piezoeléctrico?
los definición de un transductor piezoeléctrico es un transductor electrico que puede convertir cualquier forma de cantidad física en una señal eléctrica , que se puede utilizar para la medición. Un transductor eléctrico que usa propiedades de materiales piezoeléctricos para la conversión de cantidades físicas en señales eléctricas se conoce como transductor piezoeléctrico.
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. Este voltaje eléctrico producido se puede medir usando voltaje instrumentos de medición para calcular el valor de tensión o deformación aplicada al material.
Tipos de materiales piezoeléctricos
Algunos de los tipos de materiales piezoeléctricos son:
Los disponibles naturalmente: 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.
Trabajo 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 en dos formas como C estrés ompresivo y Esfuerzo de tracción Como se muestra abajo.
Funcionamiento de un transductor piezoeléctrico
Fórmula de 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 .
Fórmula de transductor piezoeléctrico
Efecto longitudinal y transversal
En el efecto longitudinal, la carga generada está 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 * 10-12C / N.
En el efecto transversal, la carga generada está 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.
Circuito transductor piezoeléctrico
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 conductor que conecta el transductor y sensor piezoeléctrico también afecta la calibración. Entonces, 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 inverso efecto piezoeléctrico . En este efecto, cuando se aplica electricidad a un material piezoeléctrico, éste sufre deformaciones físicas proporcionales a la carga aplicada. El circuito de la transductor ultrasónico se da a continuación.
Transductor piezoeléctrico ultrasónico
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 electronico . Las bobinas L1 y L2, que forman el secundario del transformador, están conectadas al oscilador electrónico.
Cuando se enciende la batería, 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 electronico 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 captadores de vibraciones.
- Se utilizan en sismógrafos para medir vibraciones en cohetes.
- En galgas extensométricas para medir fuerzas, tensiones, vibraciones, etc.
- Utilizado por la industria automotriz para medir detonaciones en motores.
- Estos se utilizan en imagen ultrasónica 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 alimentación externa para funcionar y, por lo tanto, son autogeneradores.
- La respuesta de alta frecuencia de estos transductores es una buena opción para diversas aplicaciones.
Limitaciones
- Las condiciones ambientales y de temperatura pueden afectar el comportamiento del transductor.
- Solo pueden medir la presión cambiante, por lo que son inútiles al medir 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?
