¿Qué es el transductor piezoeléctrico
A transductor piezoeléctrico (también conocido como sensor piezoeléctrico) es un dispositivo que utiliza el efecto piezoeléctrico para medir los cambios en la aceleración, presión, tensión, temperatura o fuerza convirtiendo esta energía en una carga eléctrica.
A transductor puede ser cualquier cosa que convierta una forma de energía en otra. Material piezoeléctrico es un tipo de transductores. Cuando exprimimos este material piezoeléctrico o aplicamos cualquier fuerza o presión, el transductor convierte esta energía en voltaje. Este voltaje es una función de la fuerza o presión que se le aplica.
El voltaje eléctrico producido por un transductor piezoeléctrico puede ser fácilmente medido por el voltaje instrumentos de medición. Como este voltaje será una función de la fuerza o presión aplicada a él, podemos inferir cuál fue la fuerza/presión por la lectura del voltaje. De esta manera, las cantidades físicas como la tensión mecánica o la fuerza pueden ser medidas directamente usando un transductor piezoeléctrico.
Actuador piezoeléctrico
Un actuador piezoeléctrico se comporta de manera inversa al 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 el sensor piezoeléctrico, cuando se aplica la fuerza para estirarlo o doblarlo, un potencial eléctrico… se genera y en sentido contrario cuando en un actuador piezoeléctricose aplica un potencial eléctrico que se deforma, es decir, se estira o se dobla.
Un transductor piezoeléctrico consiste en un cristal de cuarzo que está hecho de silicio y oxígeno dispuestos en una estructura cristalina (SiO2). Generalmente, la célula de la unidad (unidad básica de repetición) de todo el cristal es simétrica pero en el cristal de cuarzo piezoeléctrico no lo es. Los cristales piezoeléctricos son eléctricamente neutros.
Los átomos en su interior pueden no estar dispuestos simétricamente pero sus cargas eléctricas están equilibradas, lo que significa que las cargas positivas anulan las negativas. 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 estrés de compresión y el otro es el estrés de tracción.
Cuando hay cuarzo sin tensión no se induce ninguna carga en él. En el caso de estrés compresivo, las cargas positivas son inducidas en un lado y las cargas negativas en el lado opuesto. El tamaño del cristal se hace más fino y largo debido al estrés compresivo. En el caso del estrés de tracción, las cargas son inducidas al revés en comparación con el estrés de compresión y el cristal de cuarzo se hace más corto y más gordo.
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 fue descubierto por Pierre y Jacques Curie. La tasa de carga producida será proporcional a la tasa de cambio de la tensión mecánica aplicada a él. Cuanto mayor sea el estrés, mayor será el voltaje.
Una de las características únicas del efecto piezoeléctrico es que es reversible, es decir, cuando se les aplica voltaje, tienden a cambiar de dimensión a lo largo de 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 opuesta.
El cristal de cuarzo se alarga debido al campo eléctrico aplicado
El cristal de cuarzo se acorta debido al campo eléctrico aplicado en dirección inversa.
Es un transductor autogenerado. No requiere de electricidad fuente de tensión para la operación. El voltaje eléctrico producido por el transductor piezoeléctrico varía linealmente según la tensión o la fuerza aplicada.
El transductor piezoeléctrico tiene una alta sensibilidad. Por lo tanto, actúa como sensor y se utiliza en el acelerómetro debido a su excelente frecuencia de respuesta. El efecto piezoeléctrico se utiliza en muchas aplicaciones que implican la producción y detección de sonido, la generación de frecuencia electrónica. Actúa como fuente de ignición para el encendedor de cigarrillos y se utiliza en el sonar, el micrófono, la fuerza, la presión y la medición de desplazamiento
Aplicación de materiales piezoeléctricos
Utilizando materiales piezoeléctricos, los transductores piezoeléctricos pueden ser usados en una variedad de aplicaciones, incluyendo:
- En los micrófonos, la presión sonora se convierte en una señal eléctrica y esta señal es finalmente amplificada para producir un sonido más fuerte.
- El bloqueo de los cinturones de seguridad de los automóviles en respuesta a una rápida desaceleración también se hace utilizando material piezoeléctrico.
- También se utiliza en los diagnósticos médicos.
- Se utiliza en el encendedor eléctrico usado en las cocinas. La presión ejercida sobre el sensor piezoeléctrico crea una señal eléctrica que, en última instancia, hace que el flash se encienda.
- Se utilizan para estudiar las ondas de choque de alta velocidad y las ondas explosivas.
- Se utiliza en el tratamiento de la fertilidad.
- Utilizado en impresoras de inyección de tinta
- También se utiliza en restaurantes o aeropuertos donde cuando una persona se acerca a la puerta y ésta se abre automáticamente. En esto el concepto utilizado es que cuando una persona está cerca de la puerta se ejerce una presión de peso de las personas sobre los sensores debido a la cual se produce el efecto eléctrico y la puerta se abre automáticamente.
Ejemplos de material piezoeléctrico
Los materiales son..:
- Titanato de bario.
- Titanato de circonato de plomo (PZT).
- Sal de Rochelle.
El transductor ultrasónico piezoeléctrico
Produce frecuencias que están muy por encima de las que puede oír el oído humano. Se expande y contrae rápidamente cuando se somete a cualquier voltaje. Se utiliza típicamente en las aspiradoras.
Zumbador piezoeléctrico
Un zumbador es todo lo que produce sonido. Son impulsados por el circuito electrónico oscilante. Un elemento piezoeléctrico puede ser impulsado por un circuito electrónico oscilante o por otra fuente de señal de audio, impulsado por un amplificador de audio piezoeléctrico. Un parpadeo, un anillo o un pitido son comúnmente demandados como sonido para indicar que un botón ha sido presionado.
Un zumbador piezoeléctrico (o bíper 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:
- No hay necesidad de fuerza externa
- Es fácil de manejar y usar ya que tiene dimensiones pequeñas
- La respuesta de alta frecuencia significa que los parámetros cambian muy rápidamente
Desventajas del transductor piezoeléctrico
Las desventajas de los transductores piezoeléctricos son:
- No es adecuado para la medición en condiciones estáticas
- Se ve afectada por las temperaturas
- La salida es baja, así que algún circuito externo está conectado a ella
- Es muy difícil dar la forma deseada a este material y también la fuerza deseada
