Transductor piezoeléctrico

Un transductor que utiliza un elemento piezoeléctrico para convertir el movimiento mecánico en una señal eléctrica se denomina transductor piezoeléctrico. Este transductor funciona según el principio de Efecto piezoeléctrico. Es un transductor activo.

Material piezoeléctrico y efecto piezoeléctrico:

Un transductor piezoeléctrico utiliza un material piezoeléctrico como elemento de transducción. Un material piezoeléctrico es aquel en el que aparece una diferencia de potencial eléctrico a través de cierta superficie de un cristal si la dimensión del cristal cambia por la aplicación de fuerza. Esta diferencia de potencial aparece debido al desplazamiento de la carga. El proceso es reversible, lo que significa que si se cambia la diferencia de potencial en alguna superficie específica, la dimensión del material piezoeléctrico también cambiará. Este efecto es conocido Efecto piezoeléctrico. Los elementos que exhiben cualidades se conocen como elementos electrorresistivos.

La sal de Rochelle, el fosfato de dihidrógeno amónico, el sulfato de litio, el tartrato dipotásico, el cuarzo y la cerámica son algunos ejemplos comunes de material piezoeléctrico. Básicamente, existen dos tipos de materiales piezoeléctricos: Naturales y Sintéticos.

Un material piezoeléctrico natural es uno que ocurre en la naturaleza y puede usarse como tal. Sin embargo, los materiales piezoeléctricos sintéticos son aquellos materiales en los que las propiedades piezoeléctricas no se encuentran en su estado original, sino que estas propiedades se producen utilizando técnicas especiales como el tratamiento de polarización.

El cuarzo y la cerámica son ejemplos de material piezoeléctrico natural, mientras que materiales como el sulfato de litio y el etilendiaminotartrato pertenecen al grupo sintético.

Principio de funcionamiento del transductor piezoeléctrico:

El principio de funcionamiento de un transductor piezoeléctrico se basa en el hecho de que cuando se aplica una fuerza mecánica sobre un cristal piezoeléctrico, se produce un voltaje en sus caras. Así, los fenómenos mecánicos se convierten en señales eléctricas. No se requiere suministro externo para que este transductor funcione y, por lo tanto, es un transductor activo.

El transductor piezoeléctrico responde a la fuerza/deformación mecánica y genera voltaje. Puede haber varios modos de deformación a los que estos transductores pueden responder. Los modos pueden ser: expansión de espesor, expansión transversal, corte de espesor y corte de cara.

En un transductor piezoeléctrico, se intercala un cristal piezoeléctrico entre los dos electrodos. Cuando se produce una deformación mecánica, genera carga y, por lo tanto, actúa como un condensador. Se desarrolla un voltaje a través de los electrodos del transductor que se puede medir y calibrar con la fuerza de deformación para medir directamente la fuerza de deformación mecánica. La siguiente figura muestra un transductor piezoeléctrico simple.

Cabe señalar que el efecto piezoeléctrico es sensible a la dirección. Esto significa que la polaridad de la carga no será la misma para una fuerza de tracción y compresión. La polaridad del voltaje inducido por una fuerza de tracción será opuesta a la polaridad del voltaje producido por una fuerza de compresión.

La magnitud y polaridad de la carga inducida en los electrodos son directamente proporcionales a la fuerza aplicada y su dirección. Sea F la fuerza aplicada, entonces la carga inducida se dará como

Q = kF ……….(1)

donde k es constante de proporcionalidad. Esta constante no es más que la sensibilidad de carga del material piezoeléctrico. Es constante para un material dado y se define como la carga generada por unidad de fuerza aplicada. Su unidad es (Columbo / Newton)

Suponiendo que el área de la superficie del electrodo, la separación entre los electrodos sea A y d respectivamente, la carga generada en cada uno de los electrodos del transductor piezoeléctrico se indica a continuación.

Q = CV

donde C es la capacitancia formada por los electrodos y el material piezoeléctrico

C = ƐA / d

Por lo tanto,

Q = ƐAV / d ………….(2)

De (1) y (2),

kF = ƐAV / d

F = (ƐAV) / (dk)

Observe cuidadosamente la expresión anterior; Ɛ, A, d y k son constantes para un transductor piezoeléctrico dado. Básicamente, esto significa que la magnitud de la fuerza aplicada es directamente proporcional al voltaje de salida a través de los electrodos.

Por lo tanto, al medir el valor del voltaje a través de los electrodos del transductor piezoeléctrico, podemos encontrar el valor de la fuerza mecánica. Por lo tanto, la fuerza mecánica se convierte en señal eléctrica, que es el único requisito de cualquier transductor.

Modos de operación del cristal piezoeléctrico:

El cristal piezoeléctrico se puede utilizar en muchos modos. Hay modos son:

• Corte de espesor
• Corte de cara
• Expansión de espesor
• Expansión Transversal

Estos modos se muestran en la siguiente figura.

Cada uno de los modos anteriores se puede convertir en señal eléctrica mediante el uso de un transductor piezoeléctrico. Al cementar dos cristales juntos para que sus ejes eléctricos sean perpendiculares, se pueden producir “Benders” o “Twisters”. Esto significa que un movimiento de flexión aplicado a un doblador produce un voltaje de salida. De manera similar, un movimiento de torsión aplicado a un tornado produce una salida de voltaje. Los dobladores y tornados se muestran a continuación.

Propiedades del Cristal Piezoeléctrico:

Las principales propiedades del material piezoeléctrico para su idoneidad para su uso en transductores piezoeléctricos son la estabilidad, la insensibilidad de salida a la temperatura y la humedad y la capacidad de formarse en la forma más deseable.

El cuarzo es el cristal piezoeléctrico más estable. Sin embargo, su salida es muy pequeña. Por otro lado, Rochelle Salt proporciona el mayor rendimiento, pero su principal inconveniente es que solo se puede utilizar en un rango de temperatura limitado (hasta 45 °C únicamente) y debe protegerse de la humedad.

El tartrato de bario tiene la ventaja de que se puede formar en varias formas y tamaños. Su constante dieléctrica también es alta (por lo tanto, la capacitancia C será alta, lo que dará como resultado un voltaje de salida más alto). El cristal natural posee la ventaja de que tiene una mayor estabilidad mecánica y térmica, puede soportar mayores tensiones. El material sintético tiene generalmente una mayor sensibilidad al voltaje.

Circuito equivalente del transductor piezoeléctrico:

El circuito equivalente eléctrico básico de un transductor piezoeléctrico se muestra en la siguiente figura.

Se pueden observar los siguientes puntos del circuito equivalente del transductor piezoeléctrico:

• La fuente es un generador de carga cuyo valor es igual a dF.
• La carga generada es a través de la capacitancia Cp del cristal y la resistencia de fuga Rp.
• El generador de carga se puede reemplazar por una fuente de voltaje equivalente que tenga un voltaje de Eo = Q/Cp = dF/Cp

Aplicación / Usos de material piezoeléctrico y transductor:

La aplicación o los usos del material piezoeléctrico y el transductor se enumeran a continuación:

• El cuarzo se usa comúnmente para estabilizar osciladores electrónicos debido a su alta estabilidad.
• El transductor piezoeléctrico se utiliza principalmente en mediciones dinámicas. El voltaje desarrollado por la aplicación de tensión no se mantiene bajo condiciones estáticas. Por lo tanto, estos transductores se utilizan en la medición de cantidades como rugosidad superficial, aceleración (llamada acelerómetro) y vibraciones.
• El generador ultrasónico también utiliza titanato de bario, que es un material piezoeléctrico. Dichos materiales se utilizan en aparatos de limpieza industrial y también en el sistema de detección bajo el agua conocido como sonar.

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