¿Qué es un transductor piezoeléctrico? Diagrama del circuito, funcionamiento y aplicaciones

En nuestro día a día, nos encontramos con diversas situaciones en las que tenemos que medir magnitudes físicas como la tensión mecánica aplicada al metal, los niveles de temperatura, los niveles de presión, etc. Para todas estas aplicaciones necesitamos un dispositivo que pueda medir estas magnitudes desconocidas en unidades y calibraciones que nos resulten familiares. Uno de estos dispositivos que nos resulta muy útil es el TRANSDUCTOR. El transductor es un dispositivo eléctrico que puede convertir cualquier tipo de cantidad física en forma de cantidad eléctrica proporcional, ya sea como tensión o corriente eléctrica. De la gran cantidad de tipos de transductores, este artículo pretende explicar sobre transductores piezoeléctricos.


¿Qué es un transductor piezoeléctrico?

El definición de transductor piezoeléctrico es un transductor eléctrico que puede convertir cualquier forma de cantidad física en una señal eléctricaque puede utilizarse para la medición. Un transductor eléctrico que utiliza las propiedades de los materiales piezoeléctricos para convertir las magnitudes físicas en señales eléctricas se conoce como transductor piezoeléctrico.

Transductor piezoeléctrico

Los materiales piezoeléctricos presentan la propiedad de piezoelectricidadsegún el cual la aplicación de cualquier tipo de tensión o esfuerzo mecánico conduce a la generación de una tensión eléctrica proporcional a la tensión aplicada. Esta tensión eléctrica producida puede medirse mediante la tensión instrumentos de medición para calcular el valor de la tensión o la deformación aplicada al material.

Tipos de materiales piezoeléctricos

Algunos de los tipos de materiales piezoeléctricos son

Los disponibles de forma natural: El cuarzo, la sal de Rochelle, el topacio, los minerales del grupo de la turmalina y algunas sustancias orgánicas como la seda, la madera, el esmalte, el hueso, el pelo, el caucho y la dentina. Fabrica artificialmente materiales piezoeléctricos son el difluoruro de polivinilideno, PVDF o PVF2, el titanato de bario, el titanato de plomo, el titanato de circonato de plomo (PZT), el niobato de potasio, el niobato de litio, el tantalato de litio y otras cerámicas piezoeléctricas sin plomo.

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No todos los materiales piezoeléctricos pueden utilizarse en transductores piezoeléctricos. Los materiales piezoeléctricos que se van a utilizar como transductores deben cumplir ciertos requisitos. Los materiales utilizados para la medición deben tener estabilidad de frecuencia, valores de salida elevados, ser insensibles a las condiciones extremas de temperatura y humedad y estar disponibles en varias formas o ser flexibles para ser fabricados en varias formas sin alterar sus propiedades.

Por desgracia, no existe ningún material piezoeléctrico que tenga todas estas propiedades Cuarzo es un cristal muy estable que está disponible de forma natural, pero que tiene niveles de salida pequeños. Los parámetros que varían lentamente se pueden medir con el cuarzo. La sal de Rochelle proporciona los valores de salida más altos, pero es sensible a las condiciones ambientales y no puede funcionar a más de 1150F.

Funcionamiento del transductor piezoeléctrico

Transductor piezoeléctrico funciona con el principio de la piezoelectricidad. Las caras del material piezoeléctrico, habitualmente el cuarzo, se recubren con una fina capa de material conductor, como la plata. Cuando se aplica una tensión, los iones del material se mueven hacia una de las superficies conductoras mientras se alejan de la otra. Esto da lugar a la generación de carga. Esta carga se utiliza para calibrar la tensión. La polaridad de la carga producida depende de la dirección de la tensión aplicada. La tensión puede aplicarse de dos formas como Cl estrés depresivo y Tensión de tracción como se muestra a continuación.

Funcionamiento de un transductor piezoeléctrico
Funcionamiento de un transductor piezoeléctrico

Fórmula del transductor piezoeléctrico

La orientación del cristal también afecta a la cantidad de tensión generada. Los cristales de un transductor pueden estar dispuestos en posición longitudinal o posición transversal.

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Fórmula del transductor piezoeléctrico
Fórmula del transductor piezoeléctrico

Efecto longitudinal y transversal

En el efecto longitudinal, la carga generada viene dada por

Q = F * d

Donde F es la fuerza aplicada, d es el coeficiente piezoeléctrico del cristal.

El coeficiente piezoeléctrico d del cristal de cuarzo es de aproximadamente 2,3 * 10-12 C/N.

En el efecto transversal, la carga generada viene dada por

Q = F * d * (b/a)

Cuando la relación b/a es mayor que 1, la carga producida por la disposición transversal será mayor que la generada por la disposición longitudinal.

Circuito del transductor piezoeléctrico

El funcionamiento de un transductor piezoeléctrico básico puede explicarse mediante la siguiente figura.

Circuito del transductor piezoeléctrico
Circuito del transductor piezoeléctrico

Aquí se utiliza un cristal de cuarzo recubierto de plata como sensor para generar un voltaje cuando se aplica una tensión sobre él. Se utiliza un amplificador de carga para medir la carga producida sin disipación. Para extraer una corriente muy baja, la resistencia R1 es muy alta. La capacitancia del cable que conecta el transductor y sensor piezoeléctrico también afecta a la calibración. Por ello, el amplificador de carga suele colocarse muy cerca del sensor.

Así, en un transductor piezoeléctrico, cuando se aplica una tensión mecánica se genera una tensión eléctrica proporcional que se amplifica mediante un amplificador de carga y se utiliza para calibrar la tensión aplicada.

Transductor ultrasónico piezoeléctrico

El transductor piezoeléctrico de ultrasonidos funciona según el principio de la inversa efecto piezoeléctrico. En este efecto, cuando se aplica electricidad a un material piezoeléctrico, éste sufre deformaciones físicas proporcionales a la carga aplicada. El circuito del transductor ultrasónico se indica a continuación.

Transductor piezoeléctrico ultrasónico
Transductor piezoeléctrico ultrasónico

Aquí, el cristal de cuarzo se coloca entre dos placas metálicas A y B que están conectadas al primario L3 del transformador. El primario del transformador está acoplado inductivamente al oscilador electrónico. Las bobinas L1 y L2, que forman el secundario del transformador, están conectadas al oscilador electrónico.

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Cuando la pila está encendida, el oscilador produce impulsos de tensión alterna de alta frecuencia con una frecuencia f=1÷(2π√L1C1). Debido a esto, se induce una f.e.m. en L3 que se transfiere al cristal de cuarzo a través de las placas A y B. Debido al efecto piezoeléctrico inverso, el cristal comienza a contraerse y expandirse alternativamente, creando así vibraciones mecánicas.

La resonancia tiene lugar cuando la frecuencia del oscilador electrónico es igual a la frecuencia natural del cuarzo. En este punto, el cuarzo produce ondas ultrasónicas longitudinales de gran amplitud.

Aplicaciones de los transductores piezoeléctricos

  • Como los materiales piezoeléctricos no pueden medir valores estáticos, se utilizan principalmente para medir la rugosidad de las superficies, en acelerómetros y como captadores de vibraciones.
  • Se utilizan en sismógrafos para medir las vibraciones en los cohetes.
  • En galgas extensométricas para medir la fuerza, la tensión, las vibraciones, etc
  • Se utiliza en la industria del automóvil para medir las detonaciones en los motores.
  • Se utilizan en imágenes ultrasónicas en aplicaciones médicas.

Ventajas y limitaciones de los transductores piezoeléctricos

Las ventajas y limitaciones de los transductores piezoeléctricos son las siguientes

Ventajas

  • Se trata de transductores activos, es decir, que no necesitan energía externa para funcionar y, por tanto, se autogeneran.
  • La respuesta de alta frecuencia de estos transductores es una buena opción para diversas aplicaciones.

Limitaciones

  • La temperatura y las condiciones ambientales pueden afectar al comportamiento del transductor.
  • Sólo pueden medir la presión cambiante, por lo que no sirven para medir parámetros estáticos.

Por lo tanto, se trata de Transductor piezoeléctrico, Principio de funcionamiento, Fórmula, Circuito con funcionamiento, Ventajas, Limitaciones y también Aplicaciones. A partir de la información anterior, hay varias aplicaciones del transductor piezoeléctrico, como hemos comentado. ¿Para qué aplicación has utilizado el transductor piezoeléctrico? ¿Cómo fue tu experiencia?

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