Apa yang dimaksud dengan Transduser Piezoelektrik? Diagram Sirkuit, Kerja, dan Aplikasi

Dalam kehidupan sehari-hari, kita menemukan berbagai situasi di mana kita harus mengukur besaran fisik seperti tekanan mekanis diterapkan pada logam, tingkat suhu, tingkat tekanan dll...Untuk semua aplikasi ini kita memerlukan perangkat yang dapat mengukur jumlah yang tidak diketahui ini dalam satuan dan kalibrasi yang kita kenal. Salah satu perangkat yang paling berguna bagi kami adalah TRANSDUCER . Transduser adalah perangkat listrik yang dapat mengubah semua jenis besaran fisik ke dalam bentuk besaran listrik proporsional baik sebagai tegangan atau arus listrik . Dari kumpulan besar berbagai jenis transduser, artikel ini bertujuan untuk menjelaskan tentang transduser piezoelektrik .

Apa itu Transduser Piezoelektrik?

Definisi transduser Piezoelektrik adalah transduser listrik yang dapat mengubah segala bentuk kuantitas fisik menjadi sinyal listrik , yang dapat digunakan untuk pengukuran. Transduser listrik yang menggunakan sifat bahan piezoelektrik untuk mengubah kuantitas fisik menjadi sinyal listrik dikenal sebagai transduser piezoelektrik.

Bahan piezoelektrik menunjukkan sifat piezoelektrik , yang menurutnya pada penerapan semua jenis tegangan atau regangan mekanis mengarah pada pembangkitan tegangan listrik yang sebanding dengan tegangan yang diterapkan. Tegangan listrik yang dihasilkan ini dapat diukur menggunakan alat pengukur tegangan untuk menghitung nilai tegangan atau regangan yang diterapkan pada material.

Jenis Bahan Piezoelektrik

Beberapa jenis bahan piezoelektrik adalah:

Yang Tersedia Secara Alami: Kuarsa, garam Rochelle, Topaz, mineral golongan Tourmaline, dan beberapa zat organik seperti sutra, kayu, email, tulang, rambut, karet, dentin. Membuat bahan piezoelektrik adalah Polyvinylidene difluoride, PVDF atau PVF2, Barium titanate, Lead titanate, Lead zirconate titanate (PZT), Potassium niobate, Lithium niobate, Lithium tantalate, dan keramik piezoelektrik bebas timbal lainnya.

Tidak semua bahan piezoelektrik dapat digunakan dalam transduser piezoelektrik . Ada persyaratan tertentu yang harus dipenuhi oleh bahan piezoelektrik untuk digunakan sebagai transduser. Bahan yang digunakan untuk tujuan pengukuran harus memiliki stabilitas frekuensi, nilai keluaran yang tinggi, tidak sensitif terhadap kondisi suhu dan kelembaban yang ekstrim dan yang dapat tersedia dalam berbagai bentuk atau harus fleksibel untuk diproduksi menjadi berbagai bentuk tanpa mengganggu sifat-sifatnya.

Sayangnya, tidak ada bahan piezoelektrik yang memiliki semua sifat ini. Kuarsa adalah kristal yang sangat stabil yang tersedia secara alami tetapi memiliki tingkat keluaran yang kecil. Parameter yang bervariasi secara perlahan dapat diukur dengan kuarsa. Garam Rochelle memberikan nilai keluaran tertinggi tetapi sensitif terhadap kondisi lingkungan dan tidak dapat dioperasikan di atas 1150F.

Transduser Piezoelektrik Bekerja

Transduser piezoelektrik bekerja dengan prinsip piezoelektrik. Permukaan bahan piezoelektrik, kuarsa biasa, dilapisi dengan lapisan tipis bahan penghantar seperti perak. Ketika stres telah diterapkan, ion-ion dalam material bergerak menuju salah satu permukaan konduktor sambil menjauh dari yang lain. Ini menghasilkan generasi muatan. Muatan ini digunakan untuk kalibrasi tegangan. Polaritas muatan yang dihasilkan tergantung pada arah tegangan yang diberikan. Stres dapat diterapkan dalam dua bentuk sebagai Ctekanan tekan dan Tegangan tarik seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Rumus Transduser Piezoelektrik

Orientasi kristal juga memengaruhi jumlah tegangan yang dihasilkan. Kristal dalam transduser dapat diatur dalam posisi membujur atau posisi melintang .

Efek Longitudinal dan Transversal

Pada efek longitudinal, muatan yang dihasilkan diberikan oleh

Q =F * d

Di mana F adalah gaya yang diterapkan,d adalah koefisien piezoelektrik kristal.

Koefisien piezoelektrik d kristal kuarsa sekitar 2,3 * 10 ^-12 T/T.

Pada efek transversal, muatan yang dihasilkan diberikan oleh

Q =F * d * (b/a)

Bila rasio b/a lebih besar dari 1, muatan yang dihasilkan oleh susunan melintang akan lebih besar daripada jumlah yang dihasilkan oleh susunan membujur.

Sirkuit Transduser Piezoelektrik

Cara kerja transduser piezoelektrik dasar dapat dijelaskan dengan gambar di bawah ini.

Di sini kristal kuarsa yang dilapisi perak digunakan sebagai sensor untuk menghasilkan tegangan saat diberi tegangan. Penguat muatan digunakan untuk mengukur muatan yang dihasilkan tanpa disipasi. Untuk menarik arus yang sangat rendah, resistansi R1 sangat tinggi. Kapasitansi kabel timah yang menghubungkan transduser dan sensor piezoelektrik juga mempengaruhi kalibrasi. Jadi penguat muatan biasanya ditempatkan sangat dekat dengan sensor.

Jadi dalam transduser piezoelektrik ketika tegangan mekanis diterapkan, tegangan listrik proporsional dihasilkan yang diperkuat menggunakan penguat muatan dan digunakan untuk kalibrasi tegangan yang diterapkan.

Transduser Ultrasonik Piezoelektrik

Transduser piezoelektrik ultrasonik bekerja berdasarkan prinsip kebalikan efek piezoelektrik . Dalam efek ini ketika listrik diterapkan pada bahan piezoelektrik, ia mengalami deformasi fisik sebanding dengan muatan yang diterapkan. Sirkuit dari transduser ultrasonik diberikan di bawah ini.

Di sini, kristal kuarsa ditempatkan di antara dua pelat logam A dan B yang dihubungkan ke L3 primer transformator. Primer transformator secara induktif digabungkan ke osilator elektronik . Kumparan L1 dan L2, yang merupakan sekunder dari transformator, dihubungkan ke osilator elektronik.

Ketika baterai dihidupkan, osilator menghasilkan pulsa tegangan bolak-balik frekuensi tinggi dengan frekuensi f=1÷(2π√L1C1). Karena ini, ggl diinduksi di L3 yang ditransfer ke kristal kuarsa melalui pelat A dan B. Karena efek piezoelektrik sebaliknya, kristal mulai berkontraksi dan berkembang secara bergantian sehingga menciptakan getaran mekanis.

Resonansi terjadi ketika frekuensi osilator elektronik sama dengan frekuensi alami kuarsa. Pada titik ini, kuarsa menghasilkan gelombang ultrasonik longitudinal amplitudo besar.

Aplikasi Transduser Piezoelektrik

• Karena bahan piezoelektrik tidak dapat mengukur nilai statis, bahan ini terutama digunakan untuk mengukur kekasaran permukaan, dalam akselerometer, dan sebagai penampung getaran.
• Mereka digunakan dalam seismograf untuk mengukur getaran dalam roket.
• Dalam pengukur regangan untuk mengukur gaya, tegangan, getaran, dll...
• Digunakan oleh industri otomotif untuk mengukur ledakan di mesin.
• Ini digunakan dalam pencitraan ultrasonik dalam aplikasi medis.

Keuntungan dan Keterbatasan Transduser Piezoelektrik

Keuntungan dan keterbatasan transduser piezoelektrik mencakup hal-hal berikut.

Keuntungan

• Ini adalah transduser aktif yaitu mereka tidak memerlukan daya eksternal untuk bekerja dan karena itu menghasilkan sendiri.
• Respons frekuensi tinggi dari transduser ini menjadi pilihan yang baik untuk berbagai aplikasi.

Batasan

• Suhu dan kondisi lingkungan dapat memengaruhi perilaku transduser.
• Mereka hanya dapat mengukur tekanan yang berubah sehingga tidak berguna saat mengukur parameter statis.

Jadi, ini semua tentang Transduser Piezoelektrik, Prinsip Kerja, Rumus, Rangkaian dengan Kerja, Kelebihan, Keterbatasan, dan juga Aplikasinya. Dari informasi di atas, ada berbagai aplikasi transduser piezoelektrik seperti yang telah kita bahas. Untuk aplikasi apa Anda menggunakan transduser piezoelektrik? Bagaimana pengalaman Anda?