o Que fazer telefones celulares, diesel injetores de combustível, o violão de captadores, grill inflamadores, ultra-som e transdutores, sensores de vibração, algumas impressoras, musicais e cartões de felicitações, todos têm em comum? Além de serem dispositivos eletrônicos, todas essas aplicações utilizam piezoeletricidade de alguma forma. Vamos explorar como a piezoeletricidade funciona e olhar para algumas aplicações de materiais piezoelétricos no dia-a-dia.como funciona o material piezoeléctrico?,o efeito piezoelétrico refere — se à capacidade de materiais específicos — como quartzo, turmalina, topaz e Rochelle salt-para produzir uma carga elétrica quando sujeito a stress mecânico. O termo “piezoí” pode até traçar suas raízes de volta para o grego antigo, onde seus significados se relacionam com ações de empurrar, apertar e pressionar.
no piezoelectric effect explanation would be complete without a brief discussion of what piezoelectric devices are as well., Hoje, graças ao desenvolvimento adicional de materiais piezoelétricos artificiais — incluindo cerâmica piezoelétrica — as aplicações da piezoeletricidade em dispositivos eletrônicos estão crescendo em um ritmo emocionante.
como o efeito piezoelétrico funciona com sensores e motores
para começar, provavelmente não há aplicação mais popular do efeito piezoelétrico do que como uma fonte de energia de alta tensão em isqueiros elétricos e grelhadores de gás., Nestes casos, um martelo atinge um pedaço de material piezoeléctrico, que produz então corrente suficiente para criar uma faísca que incendeia o gás inflamável na sua presença. No entanto, em outras aplicações como sensores, o martelo como um excitador do material piezo é tipicamente substituído por outras formas de energia como ondas sonoras — incluindo ultrassom.quando são postos a funcionar em sensores, os materiais piezoários podem detectar alguns dos distúrbios e anomalias mais mínimos, o que os torna dispositivos ideais em testes industriais não destrutivos e imagens médicas.,em outros casos, motores piezoelétricos podem realizar movimentos altamente precisos e repetíveis. Esta habilidade faz deles excelentes dispositivos para os movimentos de precisão de dispositivos ópticos sensíveis como telescópios e microscópios.
vantagens e desvantagens piezoelétricas
em comparação com outros componentes eletrônicos, dispositivos piezoelétricos têm várias vantagens, bem como algumas desvantagens.,
as Suas vantagens incluem os seguintes aspectos:
- Sem fonte de energia externa: Graças à sua capacidade de produzir tensão, quando agimos de acordo por uma força, piezo materiais necessitam de nenhuma fonte de energia externa.instalação fácil: com pequenas dimensões, eles são um grande ajuste e facilmente instalados em dispositivos eletrônicos de alta densidade.capacidade de resposta a altas frequências: em comparação com outros dispositivos, os materiais piezoeléctricos têm uma resposta de frequência substancialmente mais elevada — o que os torna maravilhosamente sensíveis mesmo nas situações mais exigentes.,materiais altamente flexíveis: a maioria dos materiais piezoários podem ser construídos em uma grande variedade de formas e tamanhos, então eles são altamente úteis em várias aplicações e campos.
Piezo materiais também apresentar as seguintes limitações ou desvantagens:
- Pequena quantidade de carga elétrica: Apesar de serem auto-geração, materiais piezo produzir bastante pequenas cargas elétricas, o que significa uma alta impedância é necessário um cabo para conectá-los a uma interface elétrica.,as condições ambientais afectam o desempenho: os materiais piezoeléctricos são afectados pela temperatura e pela humidade. Além disso, enquanto na condição estática, eles não podem medir a saída.
- A produção é relativamente baixa: enquanto alguns materiais piezoeléctricos produzem mais produção do que outros, todos eles são relativamente baixos. Para o seu uso ser otimizado, um circuito externo muitas vezes será necessário.
sensores piezoelétricos em aplicações industriais
o sector industrial emprega frequentemente sensores piezoelétricos para uma variedade de utilizações., Alguns usos comuns do dia — a-dia incluem:
Motor Knock sensores-fabricantes de motores estão constantemente enfrentando desafios relacionados com o controle dos parâmetros do motor. Em circunstâncias erradas, os motores a gasolina são suscetíveis a um fenômeno indesejável conhecido como detonação. Quando a detonação ocorre, a carga de ar/combustível explode em vez de queimar suavemente, danificando assim o motor. Historicamente, é por isso que a maioria dos fabricantes projetou motores com margens operacionais conservadoras em detrimento da eficiência — foi para evitar este problema notório.,com o desenvolvimento de melhores sistemas de controle, os parâmetros relevantes do motor podem ser ajustados em tempo real para maximizar a eficiência e a potência. Se a detonação começar a ocorrer, sensores piezoelétricos podem ser empregados para sentir a detonação antes que ela se torne problemática. Isso dá tempo aos sistemas de controle para fazer os ajustes necessários.sensores de pressão-em quase qualquer aplicação que requeira a medição de mudanças de pressão dinâmicas, usando sensores de pressão piezoelétrica produz resultados mais confiáveis do que usando sensores de pressão eletromecânicos convencionais., Isto é porque os dispositivos piezoelétricos têm uma resposta de alta frequência e conversão de sinal sem exigir quaisquer foles, diafragma, ou qualquer tipo de ligação mecânica em conjunto com uma tensão gage ou sensor de deslocamento.equipamentos sonares-sonares de profundidade e sonares dependem extensivamente de sensores piezoelétricos para transmitir e receber “pings” ultrassônicos na gama 50-200kHz. Além de ter uma resposta de frequência ideal para tais aplicações, transdutores piezoelétricos têm uma alta densidade de energia que permite que grandes quantidades de energia acústica a ser transmitida a partir de um pequeno pacote., Por exemplo, um transdutor com apenas 4″ (100 mm) de diâmetro pode ser capaz de lidar com uma potência superior a 500 watts.embora os sensores piezoelétricos sejam altamente valiosos para o setor industrial, a indústria também faz uso de atuadores piezoelétricos para uma variedade de aplicações: Injetores De Combustível Diesel — na última década, os regulamentos sobre as emissões de motores diesel tornaram-se cada vez mais rigorosos. Além disso, os clientes continuam a exigir motores mais silenciosos com curvas de potência e torque melhoradas., A fim de atender a estas rigorosas exigências de conformidade e desempenho, os fabricantes de motores recorreram ao uso de injeções de combustível cronometradas e medidas com precisão durante o processo de combustão.por incrível que pareça, um único injector de combustível pode mudar o fluxo de combustível com pressões superiores a 26.000 psi (1800 bar) ligadas e desligadas várias vezes em rápida sucessão durante um único curso de potência. Tal controle preciso de fluido de alta pressão é possível usando atuadores piezoelétricos que controlam pequenas válvulas dentro de injetores de combustível.,solenóides de Resposta Rápida-alguns processos requerem uma acção mecânica rápida e precisa que é difícil, se não impossível, conseguir com solenóides electromagnéticos. Enquanto a velocidade nem sempre pode ser uma preocupação, o consumo de energia ou compacidade de tamanho é uma prioridade máxima. Em tais casos, atuadores piezoelétricos são muitas vezes capazes de preencher o nicho como eles fornecem resposta rápida e baixo consumo de energia em pequenos pacotes, em comparação com solenóides eletromagnéticos.,ajuste óptico-algumas ópticas precisam ser ajustadas ou moduladas com uma ampla resposta de frequência e com um número mínimo de partes móveis. Atuadores piezoelétricos são frequentemente empregados em tais aplicações onde eles fornecem controle rápido e preciso sobre uma longa vida útil:
– o ângulo de um espelho ou grelha de difração pode precisar ser precisamente variado de acordo com uma entrada elétrica. Tais aplicações são frequentemente encontradas em experimentos ópticos ou físicos.,
– As matrizes de telescópios terrestres estão sujeitas a distorção atmosférica, e as ópticas espaciais estão sujeitas a movimento e vibração. Em tais casos, a óptica pode precisar de ser ajustada (em forma ou contorcida) em tempo real por meio de um sistema de controlo. Isto irá compensar aberrações que de outra forma impediriam a resolução da imagem.alguns conversores de fibra óptica dependem de atuadores piezoelétricos para modular a saída de um laser.os actuadores ultrassónicos de limpeza piezoeléctrica são também utilizados para aplicações de limpeza ultrassónica., Para realizar a limpeza ultrassônica, os objetos são imersos em um solvente (água, álcool, acetona, etc.). Um transdutor piezoeléctrico agita então o solvente. Muitos objetos com superfícies inacessíveis podem ser limpos usando esta metodologia.soldadura ultrassónica-muitos plásticos podem ser unidos através de um processo conhecido por soldadura ultrassónica. Este tipo de processo requer ondas ultrassônicas a serem transmitidas para uma área focada onde eles podem causar pedaços de plástico para se fundir. Freqüentemente, atuadores piezoelétricos são usados para realizar esta tarefa.,motores piezoelétricos-uma vantagem do uso de materiais piezoelétricos é que suas características são precisas e previsíveis. Assim, a expansão e contração de um atuador piezoelétrico pode ser controlada com precisão, desde que a tensão de alimentação seja controlada. Alguns projetos motores aproveitam este fato usando elementos piezoelétricos para mover um rotor ou elemento linear em incrementos precisos. A precisão na ordem dos nanômetros pode ser alcançada com alguns projetos de motores piezoeléctricos. Os motores piezoeléctricos funcionam numa vasta gama de frequências, mas normalmente funcionam melhor numa gama de baixas frequências.,
além de sua inerente precisão, piezoelétrico motores podem ser usados em ambientes com campos magnéticos fortes ou temperaturas criogênicas — ambientes onde convencionais motores são susceptíveis de trabalho. Estes desafios únicos estão presentes em máquinas NMRI, aceleradores de partículas e outros ambientes semelhantes.actuadores de chaminés-podem empilhar-se múltiplos elementos piezoeléctricos para multiplicar o deslocamento atingido para uma dada tensão. Estes tipos de dispositivos são conhecidos como atuadores de pilha, e eles são empregados em uma variedade de aplicações especiais., Em comparação com os actuadores electromagnéticos convencionais, os actuadores de chaminés têm as seguintes vantagens únicas:
– podem funcionar a temperaturas criogénicas ou em ambientes com fortes campos magnéticos.
– eles podem produzir uma grande quantidade de força em um pequeno pacote
– eles podem responder quase instantaneamente à entrada com altas taxas de aceleração.
– eles podem alcançar graus extremamente elevados de precisão.
– eles só consomem energia quando o trabalho está realmente a ser realizado.,estes actuadores encontram o seu uso em válvulas proporcionais, relés eléctricos, modulação óptica, amortecimento de vibrações e outras aplicações que requerem um controlo rápido ou preciso do movimento.actuadores de lâminas — duas tiras de material piezoeléctrico podem ser coladas numa configuração semelhante a uma tira bimetálico. Nesta configuração, a entrada elétrica faz com que uma tira se expanda enquanto a outra tira se contrai simultaneamente, causando uma deflexão.,relés piezoeléctrico – elementos piezoeléctricos podem ser implementados para accionar relés ou interruptores electromecânicos. Para estas aplicações, podem ser utilizados actuadores de listas ou actuadores de chaminés para abrir e fechar contactos eléctricos. Tais dispositivos são livres de manutenção e duram por muitos ciclos sem desgaste perceptível. Como um benefício adicional, o uso de atuadores piezoelétricos para operar contatos elétricos permite um controle rápido e preciso em pequenos pacotes que são difíceis ou impossíveis de alcançar com relés eletromagnéticos.,
Utiliza de Sensores Piezoelétricos em Aplicações Médicas
dar uma olhada em como o campo médico também implementa sensores piezoelétricos para uma variedade de dia-a-dia de aplicações:
a ultra-sonografia — transdutores Piezoelétricos são muitas vezes usados em medicina equipamento de ultra-som. Os avanços no equipamento ao longo das décadas permitiram uma melhor monitorização da gravidez e facilitaram procedimentos cirúrgicos minimamente invasivos.,procedimentos ultrassônicos – alguns procedimentos médicos não invasivos dependem do uso de ondas ultrassônicas focadas para quebrar pedras nos rins ou destruir tecidos malignos. Além disso, o advento do bisturi harmônico permitiu aos cirurgiões incisar e coagular o tecido durante um procedimento cirúrgico sem a necessidade de cauterização. Isto leva a menos danos nos tecidos, menos perda de sangue e tempos de cura mais rápidos.e a electrónica de consumo e a tecnologia que é vendida nas lojas em todo o país?, Desconhecido para muitos consumidores, atuadores piezoelétricos são usados em eletrônica em todos os lugares:
Impressoras Piezoelétricas, de uma maneira Geral, existem dois tipos principais de impressoras que utilizam atuadores piezoelétricos:
– uma impressora de matriz de pontos — Em um piezoelétrico impressora matricial, atuadores piezoelétricos na impressora movimento da cabeça, como agulhas alfinetes que “poke”, através de uma tira de fita de tinta (semelhante a uma máquina de escrever) contra um pedaço de papel em vários padrões para formar caracteres. Para a maioria das aplicações, o uso de impressoras dot-matrix foi substituído por outras tecnologias., No entanto, uma impressora dot-matrix é a única tecnologia de impressão capaz de gerar cópias duplicadas e triplicadas de cópias de carbono.
– impressora a jacto de tinta — numa impressora a jacto de tinta piezoeléctrica, actuadores piezoeléctricos na cabeça da impressora actuam em diafragmas pequenos ou mudam de outra forma a geometria de um tinteiro para que as gotas de tinta sejam forçadas a sair de um orifício para o papel. Esta é uma das tecnologias dominantes no mercado de impressoras até à data.,
Altifalantes piezoelétricos-Altofalantes piezoelétricos são apresentados em praticamente todas as aplicações que precisam produzir eficientemente som a partir de um pequeno dispositivo eletrônico. Estes tipos de falantes são geralmente baratos e requerem pouco poder para produzir volumes sonoros relativamente grandes., Assim, piezoelétrico alto-falantes são geralmente encontrados em dispositivos como o seguinte:
– telefones celulares
– fones de Ouvido
– produção de Som brinquedos
– Musical cartões
– Musical balões
Piezoelétrico Campainhas — Piezoelétricos campainhas são semelhantes piezoelétrico, alto-falantes, mas eles geralmente são projetados com menor fidelidade para produzir um volume mais alto sobre uma estreita faixa de freqüência., Buzzers são usados em uma aparentemente infindável variedade de dispositivos eletrônicos, incluindo:
Piezoelétrico Humidificador — Muitos névoa fria umidificadores usar um transdutor piezoelétrico para transmitir energia de ultra-som em uma piscina de água. As vibrações ultrassônicas causam gotículas de água fina para romper e atomizar a partir da superfície da piscina, onde eles ficam presos em uma corrente de ar e entrar no espaço desejado.Escovas de dentes eletrônicas-atuadores piezoelétricos lineares são implementados para vibrar as cerdas em algumas escovas de dentes eletrônicas.,materiais piezoelétricos para aplicações musicais, além de aplicações tecnológicas e industriais, a piezoeletricidade também beneficia as artes. Há uma variedade de aplicações musicais que usam piezoeletricidade:
captadores de instrumentos — muitos instrumentos de cordas acústicas-elétricas utilizam captadores piezoelétricos para converter vibrações acústicas em sinais elétricos. Tipicamente, uma tira de material piezoelétrico é colocada entre o corpo do instrumento e uma estrutura que suporta as cordas., Por exemplo, uma guitarra acústica-elétrica geralmente abriga sua tira piezoelétrica sob a ponte e dentro da sela. À medida que as cordas vibram, a faixa é agitada para gerar um sinal elétrico. Captadores elétricos em violinos, violas e violoncelos usam o mesmo conceito, mas o captador piezoelétrico pode ser fixado à ponte ou integrado dentro da ponte — em vez de estar localizado entre a ponte e o corpo do instrumento.,Microfones-alguns microfones (como microfones de contato para instrumentos de percussão) usam materiais piezoelétricos para converter vibrações sonoras a uma saída elétrica. Estes microfones geralmente possuem impedâncias de saída elevadas que devem ser compensadas ao projetar seus respectivos pré-amplificadores.
usando piezoeletricidade em outras aplicações
tem uma aplicação que não estava listada na lista? Quer saber se pode usar piezoeletricidade?, Os seguintes usos da piezoeletricidade representam outras opções para a sua indústria:
ignitores piezoelétricos — este é, talvez, o uso mais conhecido e onipresente da piezoeletricidade. Em um ignitor piezoelétrico, um botão ou gatilho é usado para engatar e soltar um martelo carregado com mola, e o martelo é usado para golpear uma barra em forma de cerâmica piezoelétrica. O choque mecânico repentino para a cerâmica piezoelétrica produz um rápido aumento de tensão que é alta o suficiente para saltar uma abertura de faísca considerável e inflamar combustível., Ignitores piezoelétricos são comumente usados para isqueiros de butano, grelhas de gás, fogões de gás, maçaricos e canhões de batata improvisados.geração de eletricidade-algumas aplicações requerem a colheita de energia de mudanças de pressão, vibrações ou impulsos mecânicos. A colheita de energia é possível usando materiais piezoelétricos para converter deflexões ou deslocamentos em energia elétrica que pode ser usada ou armazenada para uso posterior.,sistemas mecânicos microeletrônicos (MEMS) — os dispositivos MEMS tornaram-se mais comuns, uma vez que são necessárias capacidades mais integradas em pacotes menores, como telefones celulares, computadores tablet, etc. A vantagem dos dispositivos MEMS é que giroscópios, acelerômetros e dispositivos de medição inerciais podem ser integrados em pacotes do tamanho de chips. A fim de realizar tal façanha, atuadores piezoelétricos e sensores são frequentemente utilizados.,
Raquetes De Tênis — uma aplicação um pouco incomum para piezoeletricidade integra fibras piezoelétricas na garganta de uma raquete de tênis, juntamente com um microcontrolador no punho. Quando o tenista atinge a bola, o quadro de raquete deflecte e gera uma saída elétrica que é impulsionada, revertida, e alimentado de volta para as fibras. Esta é uma tentativa de causar interferência destrutiva e amortecer vibrações estruturais.,se você faz parte da indústria da defesa, você pode usar piezoeletricidade para uma variedade de aplicações: Micro robótica — no campo da pequena robótica, pequenos acionadores mecânicos e sensores eficientes em termos de potência são necessários. Com o uso de atuadores piezoelétricos, construir algo tão pequeno como uma mosca robótica que pode rastejar e voar é tecnicamente viável. Na verdade, um novo campo de tecnologia robótica conhecido como Micro Air Vehicles visa construir pequenos drones do tamanho de insetos ou pássaros que voam usando asas batendo., Controlam superfícies tal como as aves e os insectos. Estes tipos de feitos na miniaturização são possíveis, em parte, usando atuadores piezoelétricos.
balas que mudam de curso-recentemente, a DARPA inventou uma .Uma bala de calibre 50 que pode mudar de rota a meio do voo. Por mais absurda que esta inovação possa soar para alguns leitores, a bala usa um sensor óptico que é montado no nariz em conjunto com um sistema de controle e barbatanas móveis de cauda para orientar-se em direção a um alvo iluminado por laser., Embora a DARPA não tenha revelado muito sobre a sua extrema precisão, a bala de Ordenança (exata), o meio mais provável de manipular as barbatanas da cauda provavelmente envolve atuadores piezoelétricos.