Cosa hanno in comune telefoni cellulari, iniettori diesel, pickup per chitarra acustica, accenditori per grill, trasduttori ultrasonici, sensori di vibrazione, alcune stampanti e biglietti di auguri musicali? Oltre ad essere dispositivi elettronici, tutte queste applicazioni utilizzano piezoelettricità in qualche modo. Esploriamo come funziona la piezoelettricità e esaminiamo alcune applicazioni dei materiali piezoelettrici nella vita quotidiana.
Come funziona il materiale piezoelettrico?,
Risalente al 1880 e all’opera innovativa dei fratelli Pierre e Jacques Curie, l’effetto piezoelettrico si riferisce alla capacità di materiali specifici — come quarzo, tormalina, topazio e sale di Rochelle — di produrre una carica elettrica quando sottoposti a sollecitazioni meccaniche. Il termine “piezo” può anche far risalire le sue radici al greco antico, dove i suoi significati si riferiscono ad azioni di spinta, spremitura e pressatura.
Nessuna spiegazione dell’effetto piezoelettrico sarebbe completa senza una breve discussione su quali sono anche i dispositivi piezoelettrici., Oggi, grazie all’ulteriore sviluppo di materiali piezoelettrici artificiali — tra cui la ceramica piezoelettrica — le applicazioni della piezoelettricità nei dispositivi elettronici stanno crescendo ad un ritmo entusiasmante.
Come funziona l’effetto piezoelettrico con sensori e motori
Per cominciare, probabilmente non c’è applicazione più popolare dell’effetto piezoelettrico che come fonte di alimentazione ad alta tensione negli accendini elettrici e nelle griglie a gas., In questi casi, un martello colpisce un pezzo di materiale piezoelettrico, che quindi produce abbastanza corrente per creare una scintilla che accende il gas infiammabile in sua presenza. Tuttavia, in altre applicazioni come i sensori, il martello come eccitatore del materiale piezoelettrico viene tipicamente sostituito da altre forme di energia come le onde sonore, inclusi gli ultrasuoni.
Quando vengono messi al lavoro nei sensori, i materiali piezoelettrici possono rilevare anche alcuni dei disturbi e delle anomalie più minuti, il che li rende dispositivi ideali nei test non distruttivi industriali e nell’imaging medico.,
In altri casi, i motori piezoelettrici possono eseguire movimenti altamente precisi e ripetibili. Questa capacità li rende eccellenti dispositivi per i movimenti di precisione di dispositivi ottici sensibili come telescopi e microscopi.
Vantaggi e svantaggi piezoelettrici
Rispetto ad altri componenti elettronici, i dispositivi piezoelettrici presentano diversi vantaggi e alcuni svantaggi.,
I loro vantaggi includono i seguenti aspetti:
- Nessuna fonte di alimentazione esterna richiesta: Grazie alla loro capacità di produrre una tensione quando agita da una forza, i materiali piezoelettrici non richiedono alcuna fonte di alimentazione esterna.
- Facilità di installazione: Con piccole dimensioni, sono una grande misura e facilmente installato in dispositivi elettronici ad alta densità.
- Reattività alle alte frequenze: rispetto ad altri dispositivi, i materiali piezoelettrici hanno una risposta in frequenza sostanzialmente più elevata, il che li rende meravigliosamente reattivi anche nelle situazioni più impegnative.,
- Materiali altamente flessibili: la maggior parte dei materiali piezoelettrici può essere costruita in un’ampia varietà di forme e dimensioni, quindi sono molto utili in varie applicazioni e campi.
I materiali piezoelettrici presentano anche le seguenti limitazioni o svantaggi:
- Piccola quantità di carica elettrica: sebbene siano auto-generanti, i materiali piezoelettrici producono cariche elettriche piuttosto piccole, il che significa che è necessario un cavo ad alta impedenza per collegarli a un’interfaccia elettrica.,
- Le condizioni ambientali influenzano le prestazioni: i materiali piezoelettrici sono influenzati dalla temperatura e dai cambiamenti di umidità. Inoltre, mentre sono in condizioni statiche, non possono misurare l’output.
- L’output è relativamente basso: mentre alcuni materiali piezoelettrici producono più output di altri, sono tutti relativamente bassi. Affinché il loro utilizzo sia ottimizzato, sarà spesso necessario un circuito esterno.
Sensori piezoelettrici in applicazioni industriali
Il settore industriale impiega spesso sensori piezoelettrici per una varietà di usi., Alcuni usi comuni e quotidiani includono:
Sensori di bussamento del motore-I produttori di motori affrontano costantemente sfide legate al controllo dei parametri del motore. In circostanze sbagliate, i motori a benzina sono suscettibili a un fenomeno indesiderabile noto come detonazione. Quando si verifica la detonazione, la carica aria/carburante esplode invece di bruciare senza problemi danneggiando così il motore. Storicamente, questo è il motivo per cui la maggior parte dei produttori ha progettato motori con margini operativi conservativi a scapito dell’efficienza: è stato per evitare questo famigerato problema.,
Con lo sviluppo di migliori sistemi di controllo, i relativi parametri del motore possono essere regolati in tempo reale per massimizzare l’efficienza e la potenza. Se la detonazione inizia a verificarsi, possono essere impiegati sensori piezoelettrici per rilevare la detonazione prima che diventi problematica. Ciò dà ai sistemi di controllo il tempo di effettuare le regolazioni richieste.
Sensori di pressione-In quasi tutte le applicazioni che richiedono la misurazione di variazioni di pressione dinamiche, l’utilizzo di sensori di pressione piezoelettrici produce risultati più affidabili rispetto all’utilizzo di sensori di pressione elettromeccanici convenzionali., Questo perché i dispositivi piezoelettrici hanno una risposta ad alta frequenza e la conversione del segnale senza richiedere alcun soffietto, diaframma, o qualsiasi tipo di collegamento meccanico in combinazione con un estensimetro o sensore di spostamento.
Apparecchiature Sonar — Gli ecoscandagli di profondità e le apparecchiature sonar si affidano ampiamente a sensori piezoelettrici per trasmettere e ricevere “ping” ultrasonici nella gamma 50-200kHz. Oltre ad avere una risposta in frequenza ideale per tali applicazioni, i trasduttori piezoelettrici hanno un’alta densità di potenza che consente di trasmettere grandi quantità di potenza acustica da un piccolo pacchetto., Ad esempio, un trasduttore di soli 4” (100 mm) di diametro può essere in grado di gestire una potenza di uscita superiore a 500 watt.
Usi di Attuatori Piezoelettrici in Applicazioni Industriali
Mentre i sensori piezoelettrici sono molto importanti per il settore industriale, l’industria, inoltre, fa uso di attuatori piezoelettrici per una varietà di applicazioni:
Diesel Iniettori di Carburante Nell’ultimo decennio, norme sulle emissioni dei motori diesel sono diventati sempre più stringenti. Inoltre, i clienti continuano a richiedere motori più silenziosi con curve di potenza e coppia migliorate., Al fine di soddisfare queste rigorose esigenze di conformità e prestazioni, i produttori di motori hanno fatto ricorso a iniezioni di carburante temporizzate e misurate con precisione durante il processo di combustione.
Per quanto possa sembrare incredibile, un singolo iniettore di carburante può commutare il flusso di carburante con pressioni superiori a 26.000 psi (1800 bar) e spegnerlo più volte in rapida successione durante una singola corsa di potenza. Tale controllo preciso del fluido ad alta pressione è reso possibile utilizzando attuatori piezoelettrici che controllano piccole valvole all’interno di iniettori di carburante.,
Solenoidi a risposta rapida — Alcuni processi richiedono un’attuazione meccanica rapida e precisa che è difficile, se non impossibile, da ottenere con i solenoidi elettromagnetici. Mentre la velocità non può essere sempre un problema, il consumo di energia o la compattezza delle dimensioni è una priorità assoluta. In questi casi, gli attuatori piezoelettrici sono spesso in grado di riempire la nicchia in quanto forniscono una risposta rapida e un basso consumo energetico in piccoli pacchetti, rispetto ai solenoidi elettromagnetici.,
Regolazione ottica-Alcune ottiche devono essere regolate o modulate con un’ampia risposta in frequenza e con un numero minimo di parti mobili. Gli attuatori piezoelettrici sono spesso impiegati in tali applicazioni in cui forniscono un controllo rapido e preciso su una lunga durata:
– L’angolo di uno specchio o di una griglia di diffrazione potrebbe dover essere variato con precisione in base a un ingresso elettrico. Tali applicazioni si incontrano spesso in esperimenti ottici o fisici.,
– Gli array di telescopi terrestri sono soggetti a distorsione atmosferica e l’ottica dei veicoli spaziali è soggetta a movimento e vibrazioni. In questi casi, potrebbe essere necessario regolare l’ottica (sagomata o sagomata) in tempo reale mediante un sistema di controllo. Ciò compenserà le aberrazioni che altrimenti impedirebbero la risoluzione dell’immagine.
– Alcuni convertitori in fibra ottica si basano su attuatori piezoelettrici per modulare l’uscita di un laser.
Pulizia ad ultrasuoni — Gli attuatori piezoelettrici vengono utilizzati anche per applicazioni di pulizia ad ultrasuoni., Per eseguire la pulizia ad ultrasuoni, gli oggetti sono immersi in un solvente (acqua, alcool, acetone, ecc.). Un trasduttore piezoelettrico quindi agita il solvente. Molti oggetti con superfici inaccessibili possono essere puliti utilizzando questa metodologia.
Saldatura ad ultrasuoni – Molte materie plastiche possono essere unite insieme utilizzando un processo noto come saldatura ad ultrasuoni. Questo tipo di processo richiede che le onde ultrasoniche vengano trasmesse a un’area focalizzata in cui possono causare la fusione di pezzi di plastica. Frequentemente, gli attuatori piezoelettrici sono usati per compiere questo compito.,
Motori piezoelettrici-Un vantaggio dell’utilizzo di materiali piezoelettrici è che le loro caratteristiche sono precise e prevedibili. Pertanto, l’espansione e la contrazione di un attuatore piezoelettrico possono essere controllate con precisione finché viene controllata la tensione di alimentazione. Alcuni progetti di motori sfruttano questo fatto utilizzando elementi piezoelettrici per spostare un rotore o un elemento lineare con incrementi precisi. La precisione dell’ordine dei nanometri può essere raggiunta con alcuni progetti di motori piezoelettrici. I motori piezoelettrici funzionano a una vasta gamma di frequenze, ma in genere funzionano meglio in una gamma di basse frequenze.,
Oltre alla loro precisione intrinseca, i motori piezoelettrici possono essere utilizzati in ambienti con forti campi magnetici o temperature criogeniche — ambienti in cui è improbabile che i motori convenzionali funzionino. Queste sfide uniche sono presenti nelle macchine NMRI, negli acceleratori di particelle e in altri ambienti simili.
Attuatori stack-Più elementi piezoelettrici possono essere impilati per moltiplicare lo spostamento ottenuto per una data tensione. Questi tipi di dispositivi sono noti come attuatori stack e sono impiegati in una varietà di applicazioni speciali., Rispetto agli attuatori elettromagnetici convenzionali, gli attuatori stack hanno i seguenti vantaggi unici:
– Possono funzionare a temperature criogeniche o in ambienti con forti campi magnetici.
– Possono produrre una grande quantità di forza in un piccolo pacchetto
– Possono rispondere quasi istantaneamente all’input con alti tassi di accelerazione.
– Possono raggiungere livelli estremamente elevati di precisione.
– Consumano energia solo quando il lavoro viene effettivamente eseguito.,
Questi attuatori trovano i loro usi in valvole proporzionate, relè elettrici, modulazione ottica, smorzamento delle vibrazioni e altre applicazioni che richiedono un controllo rapido o preciso del movimento.
Attuatori a strisce-Due strisce di materiale piezoelettrico possono essere inserite insieme in una configurazione simile a una striscia bimetallica. In questa configurazione, l’ingresso elettrico provoca l’espansione di una striscia mentre l’altra striscia si contrae simultaneamente, causando una deflessione.,
Relè piezoelettrici-Elementi piezoelettrici possono essere implementati per azionare relè elettromeccanici o interruttori. Per queste applicazioni, gli attuatori stripe o stack possono essere utilizzati per aprire e chiudere i contatti elettrici. Tali dispositivi sono esenti da manutenzione e durano attraverso molti cicli senza usura evidente. Come ulteriore vantaggio, l’utilizzo di attuatori piezoelettrici per azionare i contatti elettrici consente un controllo rapido e preciso in piccoli pacchetti che sono difficili o impossibili da ottenere con i relè elettromagnetici.,
Usi dei sensori piezoelettrici nelle applicazioni mediche
Dai un’occhiata a come il campo medico implementa anche sensori piezoelettrici per una varietà di applicazioni quotidiane:
Imaging ad ultrasuoni-I trasduttori piezoelettrici sono spesso utilizzati nelle apparecchiature ad ultrasuoni mediche. I progressi nelle attrezzature nel corso dei decenni hanno permesso un migliore monitoraggio delle gravidanze e facilitato le procedure chirurgiche minimamente invasive.,
Procedure ultrasoniche-Alcune procedure mediche non invasive si basano sull’uso di onde ultrasoniche focalizzate per rompere i calcoli renali o distruggere il tessuto maligno. Inoltre, l’avvento del bisturi armonico ha permesso ai chirurghi di incidere e coagulare simultaneamente il tessuto durante una procedura chirurgica senza la necessità di cauterizzazione. Ciò porta a meno danni ai tessuti, meno perdite di sangue e tempi di guarigione più rapidi.
Attuatori piezoelettrici in elettronica di consumo
Che dire di elettronica di consumo e la tecnologia che viene venduto nei negozi in tutto il paese?, Sconosciuto a molti consumatori, attuatori piezoelettrici sono usati in elettronica ovunque:
Stampanti Piezoelettriche — Generalmente parlando, ci sono due principali tipi di stampanti che utilizzano attuatori piezoelettrici:
– una stampante a matrice di punti — In un piezoelettrico stampante a matrice di punti, attuatori piezoelettrici in testa della stampante spostare ago-come spilli che “poke”, attraverso una striscia di nastro di inchiostro (simile ad una macchina da scrivere) contro un pezzo di carta in vari modelli dei personaggi. Per la maggior parte delle applicazioni, l’uso di stampanti a matrice di punti è stato sostituito da altre tecnologie., Tuttavia, una stampante a matrice di punti è l’unica tecnologia di stampa in grado di generare copie duplicate e triplicate.
– stampante a getto d’inchiostro — In una stampante a getto d’inchiostro piezoelettrica, gli attuatori piezoelettrici nella testina della stampante agiscono su piccoli diaframmi o modificano in altro modo la geometria di un calamaio in modo che le goccioline di inchiostro vengano espulse da un orifizio sulla carta. Questa è una delle tecnologie dominanti nel mercato delle stampanti fino ad oggi.,
Altoparlanti piezoelettrici-Altoparlanti piezoelettrici sono presenti in praticamente ogni applicazione che ha bisogno di produrre in modo efficiente il suono da un piccolo gadget elettronico. Questi tipi di altoparlanti sono solitamente poco costosi e richiedono poca potenza per produrre volumi sonori relativamente grandi., Così, altoparlanti piezoelettrici sono spesso trovato in dispositivi come il seguente:
– telefoni cellulari
– auricolari
– il Suono-la produzione di giocattoli
– biglietti d’auguri Musicali
– Musicale palloncini
Piezoelettrici, Buzzer — Piezoelettrici, buzzer sono simili a altoparlanti piezoelettrici, ma di solito sono progettati con una minore fedeltà a produrre un volume più forte su una ristretta gamma di frequenze., I cicalini sono utilizzati in una serie apparentemente infinita di dispositivi elettronici, tra cui:
Umidificatori piezoelettrici — Molti umidificatori a nebbia fredda utilizzano un trasduttore piezoelettrico per trasmettere energia sonora ad ultrasuoni in una pozza d’acqua. Le vibrazioni ultrasoniche causano goccioline d’acqua fini a staccarsi e atomizzare dalla superficie della piscina dove vengono trascinati in un flusso d’aria e entrare nello spazio desiderato.
Spazzolini da denti elettronici — Attuatori piezoelettrici lineari sono implementati per vibrare le setole in alcuni spazzolini da denti elettronici.,
Materiali piezoelettrici per applicazioni musicali
Oltre alle applicazioni tecnologiche e industriali, la piezoelettricità beneficia anche delle arti. Ci sono una varietà di applicazioni musicali che utilizzano piezoelettricità:
Pickup strumento — Molti strumenti a corda acustico-elettrici utilizzano pickup piezoelettrici per convertire le vibrazioni acustiche in segnali elettrici. Tipicamente, una striscia di materiale piezoelettrico viene posizionata tra il corpo dello strumento e una struttura che supporta le corde., Ad esempio, una chitarra acustica-elettrica di solito ospita la sua striscia piezoelettrica sotto il ponte e all’interno della sella. Quando le corde vibrano, la striscia viene agitata per generare un segnale elettrico. I pickup elettrici su violini, viole e violoncelli utilizzano lo stesso concetto, ma il pickup piezoelettrico può essere bloccato al ponte o integrato all’interno del ponte, invece di trovarsi tra il ponte e il corpo dello strumento.,
Microfoni-Alcuni microfoni (come i microfoni a contatto per strumenti a percussione) utilizzano materiali piezoelettrici per convertire le vibrazioni sonore in un’uscita elettrica. Questi microfoni generalmente possiedono elevate impedenze di uscita che devono essere abbinate durante la progettazione dei rispettivi preamplificatori.
Utilizzo della piezoelettricità in altre applicazioni
Hai un’applicazione che non è stata elencata nell’elenco? Ti stai chiedendo se puoi usare la piezoelettricità?, I seguenti usi della piezoelettricità rappresentano altre opzioni per il tuo settore:
Accenditori piezoelettrici — Questo è, forse, l’uso più noto e onnipresente della piezoelettricità. In un accenditore piezoelettrico, un pulsante o un grilletto viene utilizzato per pompare e rilasciare un martello a molla, e il martello viene utilizzato per colpire una ceramica piezoelettrica a forma di asta. L’improvviso shock meccanico alla ceramica piezoelettrica produce un rapido aumento della tensione che è abbastanza alto da saltare una notevole apertura di scintilla e accendere il carburante., Gli accenditori piezoelettrici sono comunemente usati per accendini a butano, griglie a gas, stufe a gas, torce elettriche e cannoni improvvisati per patate.
Generazione di elettricità-Alcune applicazioni richiedono la raccolta di energia da variazioni di pressione, vibrazioni o impulsi meccanici. La raccolta di energia è possibile utilizzando materiali piezoelettrici per convertire deflessioni o spostamenti in energia elettrica che può essere utilizzata o immagazzinata per un uso successivo.,
Microelectronic Mechanical Systems (MEMS) — I dispositivi MEMS sono diventati più comuni in quanto sono necessarie funzionalità più integrate in pacchetti più piccoli, come telefoni cellulari, tablet pc, ecc. Il vantaggio dei dispositivi MEMS è che giroscopi, accelerometri e dispositivi di misurazione inerziali possono essere integrati in pacchetti di dimensioni di chip. Per realizzare tale impresa, vengono spesso utilizzati attuatori e sensori piezoelettrici.,
Racchette da tennis — Un’applicazione un po ‘ insolita per la piezoelettricità integra fibre piezoelettriche nella gola di una racchetta da tennis insieme a un microcontrollore nel manico. Quando il giocatore di tennis colpisce la palla, il telaio della racchetta devia e genera un’uscita elettrica che viene potenziata, invertita e reinserita nelle fibre. Questo è un tentativo di causare interferenze distruttive e smorzare le vibrazioni strutturali.,
Utilizzo della piezoelettricità nelle applicazioni della difesa
Se fai parte dell’industria della difesa, puoi utilizzare la piezoelettricità per una varietà di applicazioni:
Micro robotica — Nel campo della piccola robotica, sono necessari attuatori e sensori meccanici di piccola potenza. Con l’uso di attuatori piezoelettrici, costruire qualcosa di piccolo come una mosca robotica in grado di gattonare e volare è tecnicamente fattibile. In effetti, un nuovo campo della tecnologia robotica noto come Micro Air Vehicles mira a costruire piccoli droni delle dimensioni di insetti o uccelli che volano usando le ali che sbattono., Controllano le superfici proprio come fanno gli uccelli e gli insetti. Questi tipi di imprese nella miniaturizzazione sono possibili, in parte, utilizzando attuatori piezoelettrici.
Proiettili che cambiano rotta-Recentemente, DARPA ha inventato un .proiettile calibro 50 che può cambiare rotta a metà volo. Per quanto assurda possa sembrare questa innovazione ad alcuni lettori, il proiettile utilizza un sensore ottico montato sul naso in combinazione con un sistema di controllo e pinne di coda mobili per orientarsi verso un bersaglio illuminato dal laser., Anche se DARPA non ha rivelato molto circa la loro estrema precisione Tasked Ordinanza (EXACTO) proiettile, il mezzo più probabile di manipolare le pinne della coda probabilmente coinvolge attuatori piezoelettrici.