Dalam kehidupan kita sehari-hari, kita menemukan berbagai situasi di mana kita harus mengukur jumlah fisik seperti tekanan mekanik 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 akrab bagi kami. Salah satu perangkat yang paling berguna bagi kami adalah Transduser.

Transduser adalah perangkat listrik yang dapat mengubah semua jenis kuantitas fisik dalam bentuk kuantitas listrik proporsional baik sebagai Tegangan atau arus listrik. Dari kumpulan besar berbagai jenis transduser, artikel ini bertujuan untuk menjelaskan tentang transduser Piezoelektrik.

Apa itu Transduser Piezoelektrik?

Pengertian transduser piezoelektrik adalah transduser listrik yang dapat mengkonversi setiap bentuk kuantitas fisik menjadi sinyal listrik, yang dapat digunakan untuk pengukuran. Transduser listrik yang menggunakan sifat bahan piezoelektrik untuk konversi kuantitas fisik menjadi sinyal listrik dikenal sebagai transduser piezoelektrik.

Bahan piezoelektrik menunjukkan sifat piezoelektrik, yang menurutnya pada aplikasi semua jenis tegangan mekanik atau regangan mengarah pada pembangkitan tegangan listrik sebanding dengan tegangan yang diterapkan. Tegangan listrik yang dihasilkan ini dapat diukur dengan menggunakan alat pengukur tegangan untuk menghitung nilai tegangan atau regangan yang diterapkan pada material.

Jenis Bahan Piezoelektrik

Beberapa jenis bahan (material) piezoelektrik adalah:

Yang Tersedia Secara Alami: Kuarsa, garam Rochelle, Topaz, mineral kelompok Turmalin, dan beberapa zat organik seperti sutra, kayu, enamel, tulang, rambut, karet, dentin.

Bahan buatan piezoelektrik yang dibuat secara artifisial: Polyvinylidene difluoride, PVDF atau PVF2, Barium titanate, Lead titanate, Lead zirconate titanate (PZT), Potassium niobate, Lithium niobate, Lithium tantalate, dan piezoelektrik keramik bebas timah lainnya.

Tidak semua bahan (material) piezoelektrik dapat digunakan dalam transduser piezoelektrik. Ada persyaratan tertentu yang harus dipenuhi oleh bahan piezoelektrik untuk digunakan sebagai transduser.

Bahan yang digunakan untuk tujuan pengukuran harus memiliki stabilitas frekuensi, nilai output yang tinggi, tidak sensitif terhadap kondisi suhu dan kelembaban yang ekstrim dan yang dapat tersedia dalam berbagai bentuk atau harus fleksibel untuk dibuat menjadi berbagai bentuk tanpa mengganggu sifat-sifatnya.

Sayangnya, tidak ada bahan piezoelektrik yang memiliki semua sifat ini. Kuarsa adalah kristal yang sangat stabil yang tersedia secara alami tetapi memiliki tingkat output yang kecil. Parameter yang bervariasi lambat dapat diukur dengan kuarsa. Garam Rochelle memberikan nilai output tertinggi tetapi sensitif terhadap kondisi lingkungan dan tidak dapat dioperasikan di atas 1150F.

Prinsip Kerja Transduser Piezoelektrik

Transduser piezoelektrik bekerja dengan prinsip piezoelektrik. Permukaan bahan piezoelektrik, kuarsa biasa, dilapisi dengan lapisan tipis bahan penghantar seperti perak. Ketika tekanan telah menerapkan ion dalam material bergerak menuju salah satu permukaan konduktor sambil bergerak menjauh dari yang lain.

Kemudian hal tersebut menghasilkan pembangkit muatan. Muatan ini digunakan untuk kalibrasi tekanan. Polaritas muatan yang dihasilkan tergantung pada arah tegangan yang diterapkan. Tekanan dapat diterapkan dalam dua bentuk sebagai tegangan tekan dan tegangan tarik seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Rumus Transduser Piezoelektrik

Orientasi kristal juga mempengaruhi jumlah tegangan yang dihasilkan. Kristal dalam transduser dapat diatur dalam posisi longitudinal atau posisi melintang.

Efek Membujur dan Melintang

Dalam efek longitudinal, muatan yang dihasilkan diberikan oleh

Q = F * d

Di mana F adalah gaya yang diterapkan, d adalah koefisien piezoelektrik kristal.

Koefisien piezoelektrik d kristal kuarsa adalah sekitar 2.3 * 10-12 C/N.

Dalam efek transversal, muatan yang dihasilkan diberikan oleh

Q = F * d * (b/a)

Ketika rasio b/a lebih besar dari 1 muatan yang dihasilkan oleh pengaturan melintang akan lebih besar dari jumlah yang dihasilkan oleh pengaturan longitudinal.

Rangkaian Transduser Piezoelektrik

Prinsip Kerja transduser piezoelektrik dasar dapat dijelaskan oleh gambar di bawah ini.

Di sini kristal kuarsa dilapisi dengan perak digunakan sebagai sensor untuk menghasilkan tegangan ketika tekanan diterapkan di atasnya. Penguat muatan digunakan untuk mengukur muatan yang dihasilkan tanpa disipasi.

Untuk menarik arus yang sangat rendah resistansi R1 sangat tinggi. Kapasitansi kawat timah yang menghubungkan sensor transduser dan piezoelektrik sensor 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 Piezoelektrik Ultrasonik

Transduser piezoelektrik ultrasonik bekerja berdasarkan prinsip efek piezoelektrik sebaliknya. Dalam efek ini ketika listrik diterapkan pada bahan piezoelektrik, ia mengalami deformasi fisik sebanding dengan muatan yang diterapkan. Rangkaian transduser ultrasonik diberikan di bawah ini.

Di sini, kristal kuarsa ditempatkan di antara dua plat logam A dan B yang terhubung ke L3 utama transformator. Dari transformator primer adalah secara induktif digabungkan ke osilator elektronik. Coil L1 dan L2, yang merupakan transformator sekunder, dihubungkan ke osilator elektronik.

Ketika baterai ON, Osilator menghasilkan pulsa tegangan bergantian frekuensi tinggi dengan frekuensi f = 1 ÷ (2π√L1C1). Karena hal ini, ggl diinduksi dalam L3 yang ditransfer ke kristal kuarsa melalui plat A dan B. Karena efek piezoelektrik yang berlawanan kristal mulai berkontraksi dan meluas secara alternatif sehingga menciptakan getaran mekanis.

Resonansi terjadi ketika frekuensi osilator elektronik sama dengan frekuensi alami kuarsa. Pada titik ini, kuarsa menghasilkan gelombang ultrasonik longitudinal dengan amplitudo besar.

Aplikasi Transduser Piezoelektrik

• Karena bahan piezoelektrik tidak dapat mengukur nilai statis, ini terutama digunakan untuk mengukur kekasaran permukaan, dalam akselerometer, dan sebagai pengangkat getaran.

• Mereka digunakan dalam seismograf untuk mengukur getaran dalam roket.

• Alat pengukur regangan untuk mengukur kekuatan, tekanan, getaran dll...

• Digunakan oleh industri otomotif untuk mengukur ledakan pada mesin.

• Ini digunakan dalam pencitraan ultrasonik dalam aplikasi medis.

Kelebihan dan Kekurangan Transduser piezoelektrik

Kelebihan dan kekurangan transduser piezoelektrik meliputi yang berikut ini.

Kelebihan Transduser piezoelektrik

• Ini adalah transduser aktif yaitu mereka tidak memerlukan daya eksternal untuk bekerja dan karenanya menghasilkan sendiri.

• Respons frekuensi tinggi dari transduser ini membuat pilihan yang baik untuk berbagai aplikasi.

Kekurangan Transduser piezoelektrik

• Kondisi suhu dan lingkungan dapat mempengaruhi perilaku transduser.

• Mereka hanya dapat mengukur perubahan tekanan karena itu tidak berguna saat mengukur parameter statis.

Jadi, ini semua tentang Transduser Piezoelektrik, Prinsip Kerja, Formula (rumus), Rangkaian Kerja, Kelebihan, Kekurangan, dan juga Aplikasi. Dari informasi di atas, ada berbagai aplikasi transduser piezoelektrik seperti yang telah kita bahas.