Qu'est-ce qu'un transducteur piézoélectrique ? Schéma de circuit, fonctionnement et applications

Dans notre vie de tous les jours, nous rencontrons diverses situations où nous devons mesurer des grandeurs physiques comme des contraintes mécaniques appliqué sur le métal, les niveaux de température, les niveaux de pression, etc. Pour toutes ces applications, nous avons besoin d'un appareil capable de mesurer ces quantités inconnues dans des unités et des étalonnages qui nous sont familiers. L'un de ces appareils qui nous est le plus utile est le TRANSDUCER . Le transducteur est un appareil électrique qui peut convertir tout type de grandeur physique sous forme de grandeur électrique proportionnelle soit en tension soit en courant électrique . À partir du grand pool de différents types de transducteurs, cet article vise à expliquer les transducteurs piézoélectriques .

Qu'est-ce qu'un transducteur piézoélectrique ?

La définition d'un transducteur piézoélectrique est un transducteur électrique qui peut convertir n'importe quelle forme de quantité physique en un signal électrique , qui peut être utilisé pour la mesure. Un transducteur électrique qui utilise les propriétés des matériaux piézoélectriques pour convertir des quantités physiques en signaux électriques est appelé transducteur piézoélectrique.

Les matériaux piézoélectriques présentent la propriété de piézoélectricité , selon laquelle l'application de tout type de contrainte ou de contrainte mécanique conduit à la génération d'une tension électrique proportionnelle à la contrainte appliquée. Cette tension électrique produite peut être mesurée à l'aide d'instruments de mesure de tension pour calculer la valeur de la contrainte ou de la déformation appliquée au matériau.

Types de matériaux piézoélectriques

Certains types de matériaux piézoélectriques sont :

Ceux naturellement disponibles : Quartz, sel de Rochelle, topaze, minéraux du groupe de la tourmaline et certaines substances organiques comme la soie, le bois, l'émail, les os, les cheveux, le caoutchouc, la dentine. Fabrique artificiellement des matériaux piézoélectriques sont le difluorure de polyvinylidène, le PVDF ou le PVF2, le titanate de baryum, le titanate de plomb, le titanate de zirconate de plomb (PZT), le niobate de potassium, le niobate de lithium, le tantalate de lithium et d'autres céramiques piézoélectriques sans plomb.

Tous les matériaux piézoélectriques ne peuvent pas être utilisés dans les transducteurs piézoélectriques . Les matériaux piézoélectriques à utiliser comme transducteurs doivent satisfaire à certaines exigences. Les matériaux utilisés à des fins de mesure doivent avoir une stabilité de fréquence, des valeurs de sortie élevées, insensibles aux conditions extrêmes de température et d'humidité et qui peuvent être disponibles sous différentes formes ou doivent être flexibles pour être fabriqués sous différentes formes sans perturber leurs propriétés.

Malheureusement, il n'existe aucun matériau piézoélectrique qui possède toutes ces propriétés. Quartz est un cristal très stable qui est naturellement disponible mais il a de faibles niveaux de sortie. Des paramètres variant lentement peuvent être mesurés avec du quartz. Le sel de Rochelle donne les valeurs de sortie les plus élevées, mais il est sensible aux conditions environnementales et ne peut pas être utilisé au-dessus de 1150F.

Travail du transducteur piézoélectrique

Transducteur piézoélectrique fonctionne avec le principe de la piézoélectricité. Les faces du matériau piézoélectrique, le quartz usuel, sont recouvertes d'une fine couche de matériau conducteur tel que l'argent. Une fois la contrainte appliquée, les ions du matériau se déplacent vers l'une des surfaces conductrices tout en s'éloignant de l'autre. Cela se traduit par la génération de charge. Cette charge est utilisée pour l'étalonnage de la contrainte. La polarité de la charge produite dépend de la direction de la contrainte appliquée. Le stress peut être appliqué sous deux formes comme Cstress d'oppression et Contrainte de traction comme indiqué ci-dessous.

Formule du transducteur piézoélectrique

L'orientation du cristal affecte également la quantité de tension générée. Le cristal dans un transducteur peut être disposé en position longitudinale ou position transversale .

Effet longitudinal et transversal

Dans l'effet longitudinal, la charge générée est donnée par

Q =F * d

Où F est la force appliquée, d est le coefficient piézoélectrique du cristal.

Le coefficient piézoélectrique d du cristal de quartz est d'environ 2,3 * 10 ^-12 C/N.

Dans l'effet transversal, la charge générée est donnée par

Q =F * d * (b/a)

Lorsque le rapport b/a est supérieur à 1, la charge produite par la disposition transversale sera supérieure au montant généré par la disposition longitudinale.

Circuit de transducteur piézoélectrique

Le fonctionnement d'un transducteur piézoélectrique de base peut être expliqué par la figure ci-dessous.

Ici, un cristal de quartz recouvert d'argent est utilisé comme capteur pour générer une tension lorsqu'une contrainte est appliquée dessus. Un amplificateur de charge est utilisé pour mesurer la charge produite sans dissipation. Pour tirer un courant très faible, la résistance R1 est très élevée. La capacité du fil conducteur qui relie le transducteur et le capteur piézoélectrique affecte également l'étalonnage. Ainsi, l'amplificateur de charge est généralement placé très près du capteur.

Ainsi, dans un transducteur piézoélectrique, lorsqu'une contrainte mécanique est appliquée, une tension électrique proportionnelle est générée qui est amplifiée à l'aide d'un amplificateur de charge et utilisée pour l'étalonnage de la contrainte appliquée.

Transducteur à ultrasons piézoélectrique

Le transducteur piézoélectrique à ultrasons fonctionne sur le principe de l'effet piézoélectrique inverse . A cet effet, lorsque de l'électricité est appliquée à un matériau piézoélectrique, il subit des déformations physiques proportionnelles à la charge appliquée. Le circuit du transducteur à ultrasons est donnée ci-dessous.

Ici, le cristal de quartz est placé entre deux plaques métalliques A et B qui sont reliées au primaire L3 du transformateur. Le primaire du transformateur est couplé par induction à l'oscillateur électronique . Les bobines L1 et L2, qui forment le secondaire du transformateur, sont connectées à l'oscillateur électronique.

Lorsque la batterie est allumée, l'oscillateur produit des impulsions de tension alternative haute fréquence avec une fréquence f=1÷(2π√L1C1). Pour cette raison, une force électromotrice est induite dans L3 qui est transférée au cristal de quartz à travers les plaques A et B. En raison de l'effet piézoélectrique inverse, le cristal commence à se contracter et à se dilater alternativement, créant ainsi des vibrations mécaniques.

La résonance a lieu lorsque la fréquence de l'oscillateur électronique est égale à la fréquence naturelle du quartz. À ce stade, le quartz produit des ondes ultrasonores longitudinales de grande amplitude.

Applications de transducteurs piézoélectriques

• Comme les matériaux piézoélectriques ne peuvent pas mesurer les valeurs statiques, ils sont principalement utilisés pour mesurer la rugosité de surface, dans les accéléromètres et comme capteur de vibrations.
• Ils sont utilisés dans les sismographes pour mesurer les vibrations dans les fusées.
• Dans les jauges de contrainte pour mesurer la force, la contrainte, les vibrations etc…
• Utilisé par l'industrie automobile pour mesurer les détonations dans les moteurs.
• Ceux-ci sont utilisés en imagerie ultrasonore dans les applications médicales.

Avantages et limites des transducteurs piézoélectriques

Les avantages et les limites des transducteurs piézoélectriques sont les suivants.

Avantages

• Ce sont des transducteurs actifs, c'est-à-dire qu'ils ne nécessitent pas d'alimentation externe pour fonctionner et sont donc auto-générés.
• La réponse haute fréquence de ces transducteurs constitue un bon choix pour diverses applications.

Limitations

• La température et les conditions environnementales peuvent affecter le comportement de la sonde.
• Ils ne peuvent mesurer que les changements de pression, ils sont donc inutiles lors de la mesure des paramètres statiques.

Ainsi, il s'agit du transducteur piézoélectrique, du principe de fonctionnement, de la formule, du circuit avec fonctionnement, des avantages, des limitations et également des applications. D'après les informations ci-dessus, il existe diverses applications du transducteur piézoélectrique, comme nous l'avons vu. Pour quelle application avez-vous utilisé le transducteur piézoélectrique ? Comment s'est passée votre expérience ?