Dalam kehidupan kita sehari-hari, kita menemukan berbagai situasi di mana kita harus mengukur kuantitas fisik seperti tekanan mekanis yang 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 kami 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 maupun arus listrik . Dari kumpulan besar berbagai jenis transduser, artikel ini bertujuan untuk menjelaskan transduser piezoelektrik .
Apa itu Transduser Piezoelektrik?
Itu definisi transduser piezoelektrik adalah transduser listrik yang dapat mengonversi bentuk apa pun kuantitas fisik menjadi sinyal listrik , yang dapat digunakan untuk pengukuran. Transduser listrik yang menggunakan properti bahan piezoelektrik untuk mengubah besaran fisik menjadi sinyal listrik dikenal sebagai a transduser piezoelektrik.
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 diberikan. Tegangan listrik yang dihasilkan dapat diukur dengan menggunakan tegangan alat pengukur 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 turmalin, dan beberapa zat organik seperti sutra, kayu, enamel, tulang, rambut, karet, dentin. Memproduksi secara artifisial 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 di transduser piezoelektrik . Ada persyaratan tertentu yang harus dipenuhi oleh bahan piezoelektrik untuk digunakan sebagai transduser. Bahan yang digunakan untuk keperluan pengukuran harus memiliki kestabilan frekuensi, nilai keluaran yang tinggi, tidak peka terhadap kondisi suhu dan kelembaban yang ekstrim dan dapat tersedia dalam berbagai bentuk atau harus fleksibel untuk dibuat dalam berbagai bentuk tanpa mengganggu sifatnya.
Sayangnya, tidak ada bahan piezoelektrik yang memiliki semua sifat tersebut. Kuarsa adalah kristal yang sangat stabil yang tersedia secara alami tetapi memiliki tingkat keluaran yang kecil. Parameter yang berubah secara perlahan dapat diukur dengan kuarsa. Garam Rochelle memberikan nilai keluaran tertinggi tetapi peka terhadap kondisi lingkungan dan tidak dapat dioperasikan di atas 1150F.
Transduser piezoelektrik Bekerja
Transduser piezoelektrik bekerja dengan prinsip piezoelektrik. Muka bahan piezoelektrik, biasanya kuarsa, dilapisi dengan lapisan tipis bahan konduktor seperti perak. Ketika tegangan diterapkan, ion-ion dalam material bergerak menuju salah satu permukaan konduksi sambil menjauh dari yang lain. Ini menghasilkan pembangkitan muatan. Muatan ini digunakan untuk kalibrasi tegangan. Polaritas muatan yang dihasilkan tergantung pada arah tegangan yang diterapkan. Stres dapat diterapkan dalam dua bentuk seperti C stres ompresif dan Stres tarik seperti gambar dibawah.
Cara Kerja Transduser Piezoelektrik
Formula Transduser piezoelektrik
Orientasi kristal juga mempengaruhi jumlah tegangan yang dihasilkan. Kristal dalam transduser dapat diatur posisi longitudinal atau posisi melintang .
Formula Transduser piezoelektrik
Efek Longitudinal dan Transversal
Dalam efek longitudinal, muatan yang dihasilkan diberikan oleh
Q = F * d
Di mana F adalah gaya yang diberikan, d adalah koefisien piezoelektrik kristal.
Koefisien piezoelektrik d kristal kuarsa sekitar 2,3 * 10-12C / N.
Dalam efek transversal, muatan yang dihasilkan diberikan oleh
Q = F * d * (b / a)
Jika 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 oleh gambar di bawah ini.
Sirkuit Transduser piezoelektrik
Di sini kristal kuarsa yang dilapisi perak digunakan sebagai sensor untuk menghasilkan tegangan saat tegangan diberikan padanya. 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 mekanik 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 kebalikannya efek piezoelektrik . Dalam efek ini ketika listrik dialirkan ke bahan piezoelektrik, ia mengalami deformasi fisik sebanding dengan muatan yang diterapkan. Sirkuit dari transduser ultrasonik diberikan di bawah ini.
Transduser piezoelektrik ultrasonik
Di sini kristal kuarsa ditempatkan di antara dua pelat logam A dan B yang dihubungkan ke L3 primer transformator. Primer transformator digabungkan secara induktif ke osilator elektronik . Kumparan L1 dan L2, yang merupakan transformator sekunder, dihubungkan ke osilator elektronik.
Ketika baterai dihidupkan osilator menghasilkan pulsa tegangan bolak-balik frekuensi tinggi dengan frekuensi f = 1 ÷ (2π√L1C1). Karena ini, e.m.f diinduksi dalam L3 yang ditransfer ke kristal kuarsa melalui pelat A dan B. Karena efek piezoelektrik berlawanan, kristal mulai berkontraksi dan mengembang 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, ini terutama digunakan untuk mengukur kekasaran permukaan, dalam akselerometer dan sebagai pickup 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 meliputi yang berikut ini.
Keuntungan
- Ini adalah transduser aktif, yaitu tidak memerlukan daya eksternal untuk bekerja dan oleh karena itu dihasilkan sendiri.
- Respons frekuensi tinggi dari transduser ini membuat 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, Formula, Rangkaian dengan Cara Kerja, Keunggulan, Batasan, dan Aplikasi. Dari informasi di atas, terdapat berbagai aplikasi transduser piezoelektrik seperti yang telah kita bahas. Untuk aplikasi apa Anda telah menggunakan transduser piezoelektrik? Bagaimana pengalaman Anda?
