Hiệu ứng áp điện

Từ "piezo" trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là "ép" hoặc "siết chặt". Áp điện (còn gọi là hiệu ứng áp điện) là điện thế lan truyền trên các mặt của tinh thể khi có lực cơ học tác động vào nó. Khi hoạt động, tinh thể hoạt động như một cục pin nhỏ với một mặt tích điện dương và mặt còn lại tích điện âm. Để hoàn thành một mạch điện, hai mặt phải được nối với nhau và dòng điện phải chạy qua mặt đó.

ví dụ:

• Máy phân tích ứng suất cơ học: Trong quá trình xây dựng tòa nhà, máy phân tích ứng suất được áp dụng cho các cột để đo điện áp do ứng suất gây ra và tính toán ứng suất tương ứng.
• Bật lửa: Bật lửa gas và bật lửa thuốc lá sử dụng hiệu ứng áp điện, tạo ra xung điện từ lực tác động đột ngột của cò súng vào vật liệu bên trong.

Hiệu ứng áp điện ngược

Hiệu ứng này có thể đảo ngược, bất cứ khi nào một trường điện được áp dụng vào các đầu tinh thể, một lực cơ học sẽ được tạo ra và hình dạng sẽ thay đổi, được gọi là hiệu ứng áp điện ngược.

Hiệu ứng áp điện ngược

ví dụ:

• Đồng hồ thạch anh: Trong sử dụng hàng ngày, đồng hồ đeo tay sử dụng bộ cộng hưởng thạch anh, hoạt động như một bộ dao động. Nguyên tố được sử dụng là silicon dioxide. Khi tín hiệu điện chạy qua tinh thể, tinh thể sẽ rung động, điều khiển các bánh răng bên trong đồng hồ theo chu kỳ.
• Còi Piezo: Còi được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau như đèn lùi xe hơi, máy tính, v.v. Nó truyền một lượng điện áp nhất định với biên độ và tần số đến tinh thể, khiến tinh thể rung lên. Rung động này sau đó được chuyển đổi thành âm thanh.

Cảm biến áp điện là gì?

Khi một cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý áp điện, nó được gọi là cảm biến áp điện. Áp điện là hiện tượng điện được tạo ra khi có lực cơ học tác dụng lên vật liệu. Các cảm biến sử dụng hiệu ứng áp điện để đo sự thay đổi về gia tốc, ứng suất, áp suất và lực bằng cách chuyển đổi chúng thành điện tích được gọi là cảm biến áp điện. Tính áp điện này tỷ lệ thuận với lực tác dụng lên bề mặt của tinh thể áp điện rắn.

Cảm biến áp điện

Cảm biến áp điện hoạt động như thế nào

Khi điện áp hoặc gia tốc được áp dụng vào vật liệu PZT, một lượng điện tích bằng nhau sẽ được tạo ra trên bề mặt tinh thể. Điện tích này tỷ lệ thuận với điện áp được áp dụng. Cảm biến áp điện không thể được sử dụng để đo điện áp không đổi. Ở điện áp không đổi, tín hiệu đầu ra bằng không. Hoạt động của cảm biến áp điện có thể được tóm tắt như sau:

1. Trong tinh thể áp điện, các điện tích cũng được cân bằng chính xác theo cách sắp xếp không đối xứng.
2. Các hiệu ứng của điện tích triệt tiêu lẫn nhau và do đó không có điện tích ròng nào được tìm thấy trên mặt tinh thể.
3. Khi một tinh thể bị nén, các điện tích trong tinh thể sẽ mất cân bằng.
4. Do đó, từ bây giờ, tác động của các điện tích sẽ không triệt tiêu lẫn nhau, dẫn đến các điện tích dương và âm xuất hiện trên các mặt đối diện của tinh thể.
5. Vì vậy, khi nén tinh thể sẽ tạo ra điện áp ở phía đối diện và hiện tượng này được gọi là áp điện.

Các bước liên quan đến việc tạo ra áp điện

Mạch cảm biến áp điện

Mạch cảm biến áp điện được minh họa bên dưới. Nó bao gồm một điện trở trong Ri, còn được gọi là điện trở cách điện. Một cuộn cảm được kết nối với nó, tạo ra độ tự cảm do quán tính của cảm biến. Điện dung Ce tỷ lệ nghịch với độ đàn hồi của vật liệu cảm biến. Để cảm biến đạt được đáp ứng hoàn hảo, tải và điện trở rò rỉ phải đủ lớn để duy trì tần số thấp.

Mạch cảm biến áp điện

Ứng dụng của cảm biến áp điện:

1. Cảm biến áp suất điện trở áp điện:

• Nó được sử dụng trong đo áp suất động. Đo áp suất động bao gồm nhiễu loạn, quá trình đốt cháy động cơ, v.v. Sự thay đổi áp suất trong chất lỏng và khí trong quá trình đo áp suất xi lanh, các quá trình thủy lực có thể được đo bằng cảm biến áp suất điện trở áp điện.

Cảm biến áp suất áp điện

• Khi tác dụng lực vào màng áp điện, một điện tích sẽ được tạo ra trên bề mặt tinh thể, được đo bằng điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với điện áp được áp dụng.

2. Bộ chuyển đổi siêu âm và tinh thể áp điện:

• Cảm biến siêu âm tạo ra sóng siêu âm. Khi đầu dò được giữ bằng một tay, vị trí của máy sẽ thay đổi liên tục, giúp sóng siêu âm đi qua các bộ phận cơ thể cần được phân tích và chụp ảnh. Sóng âm được truyền qua các mô cơ thể. Sóng được phản xạ trở lại để tạo ra hình ảnh của mô. Đây chính là nguyên lý hoạt động của hệ thống chụp ảnh siêu âm. Một tinh thể áp điện được gắn vào mặt trước của đầu dò, giúp tạo ra sóng siêu âm. Các điện cực hoạt động như các nút kết nối tinh thể với máy. Khi tín hiệu điện được truyền đến tinh thể, sóng siêu âm với tần số từ 1,5 đến 8 megahertz sẽ được tạo ra do rung động.

3. Trong các ứng dụng công nghiệp, cảm biến áp điện được sử dụng trong cảm biến tiếng gõ động cơ, cảm biến áp suất, thiết bị sonar, v.v.

4. Bộ truyền động áp điện được sử dụng trong phun nhiên liệu diesel, điều chỉnh quang học, làm sạch siêu âm và hàn.

5. Cảm biến được sử dụng trong các thiết bị điện như máy in kim, máy in phun, loa áp điện, còi báo động, máy tạo độ ẩm, v.v.

6. Trong các nhạc cụ, chẳng hạn như bộ phận thu âm và micro của nhạc cụ.