ผลกระทบจากไฟฟ้าพีโซอิเล็กทริก

เพียโซเป็นคำภาษากรีกที่แปลว่า “กด” หรือ “บีบ” เพียโซอิเล็กทริก (เรียกอีกอย่างว่าปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริก) คือศักย์ไฟฟ้าที่แผ่กระจายไปทั่วด้านข้างของผลึกเมื่อเกิดแรงกดทางกลจากการบีบ ในระบบการทำงาน ผลึกจะทำหน้าที่เหมือนแบตเตอรี่ขนาดเล็กที่มีประจุบวกอยู่ด้านหนึ่งและประจุลบอยู่ด้านตรงข้าม เพื่อให้เป็นวงจรที่สมบูรณ์ จึงต้องเชื่อมต่อสองด้านเข้าด้วยกันและจ่ายกระแสไฟฟ้าผ่านด้านนั้น

ตัวอย่าง:

• เครื่องวิเคราะห์ความเค้นเชิงกล: ในระหว่างการก่อสร้างอาคาร จะมีการใช้เครื่องวิเคราะห์ความเค้นกับเสา โดยจะวัดแรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากความเค้น และคำนวณความเค้นที่สอดคล้องกัน
• ไฟแช็ก: ไฟแช็กที่ใช้แก๊สและไฟแช็กที่ใช้บุหรี่ใช้เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก โดยจะผลิตพัลส์ไฟฟ้าจากแรงที่เกิดขึ้นจากการกระทบไกปืนอย่างกะทันหันกับวัสดุภายใน

ผลพีโซอิเล็กทริกแบบย้อนกลับ

ผลดังกล่าวสามารถย้อนกลับได้ เมื่อใดก็ตามที่มีการใช้สนามไฟฟ้ากับขั้วคริสตัล ก็จะเกิดแรงกดทางกลและส่งผลให้รูปร่างเปลี่ยนไป ซึ่งเรียกว่า ผลพีโซอิเล็กทริกผกผัน

ผลพีโซอิเล็กทริกแบบย้อนกลับ

ตัวอย่าง:

• นาฬิกาควอตซ์: ในการใช้งานประจำวันของเรา นาฬิกาข้อมือจะใช้ควอตซ์เรโซเนเตอร์ซึ่งทำหน้าที่เป็นออสซิลเลเตอร์ ธาตุที่ใช้คือซิลิกอนไดออกไซด์ เมื่อสัญญาณไฟฟ้าถูกส่งผ่านคริสตัล คริสตัลจะสั่นสะเทือน ซึ่งจะช่วยควบคุมเกียร์ภายในนาฬิกาเป็นระยะๆ
• บัซเซอร์เพียโซ: บัซเซอร์ถูกนำมาใช้ในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น ไฟบอกทางถอยหลังของรถ คอมพิวเตอร์ เป็นต้น โดยจะส่งแรงดันไฟฟ้าในปริมาณหนึ่งที่มีค่าของขนาดและความถี่ไปยังคริสตัล ซึ่งจะทำให้คริสตัลสั่นสะเทือน จากนั้นการสั่นสะเทือนจะถูกแปลงเป็นเสียง

เซ็นเซอร์เพียโซอิเล็กทริกคืออะไร?

เมื่อเซ็นเซอร์ทำงานบนหลักการของเพียโซอิเล็กทริก จะเรียกว่าเซ็นเซอร์เพียโซอิเล็กทริก เพียโซอิเล็กทริกเป็นปรากฏการณ์ที่ไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นเมื่อมีแรงทางกลกระทำต่อวัสดุ เซ็นเซอร์ที่ใช้เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกเพื่อวัดการเปลี่ยนแปลงของความเร่ง ความเครียด แรงกดดัน และแรงโดยการแปลงเป็นประจุไฟฟ้า เรียกว่าเซ็นเซอร์เพียโซอิเล็กทริก เพียโซอิเล็กทริกที่เกิดขึ้นนี้จะแปรผันตามแรงที่กระทำต่อพื้นผิวของผลึกเพียโซอิเล็กทริกที่แข็งแรง

เซ็นเซอร์เพียโซอิเล็กทริก

การทำงานของเซนเซอร์เพียโซอิเล็กทริก

เมื่อมีการใช้แรงดันหรือการเร่งความเร็วกับวัสดุ PZT ประจุไฟฟ้าจำนวนเท่ากันจะถูกสร้างขึ้นทั่วหน้าคริสตัล ประจุไฟฟ้าจะเป็นสัดส่วนกับแรงดันที่ใช้ เซ็นเซอร์เพียโซอิเล็กทริกไม่สามารถใช้วัดแรงดันคงที่ได้ ที่แรงดันคงที่ สัญญาณเอาต์พุตจะเป็นศูนย์ การทำงานของเซ็นเซอร์เพียโซอิเล็กทริกสามารถสรุปได้ดังนี้

1. ในผลึกพีโซอิเล็กทริก ประจุจะสมดุลกันอย่างแม่นยำในลักษณะการจัดเรียงที่ไม่สมมาตรเช่นกัน
2. ผลของประจุจะถูกหักล้างกันและด้วยเหตุนี้จึงไม่พบประจุสุทธิบนหน้าคริสตัล
3. เมื่อคริสตัลถูกบีบ ประจุในคริสตัลจะไม่สมดุล
4. ดังนั้น ตั้งแต่นี้เป็นต้นไป ผลของประจุจะไม่ถูกหักล้างกัน ซึ่งทำให้ประจุบวกและประจุลบสุทธิปรากฏบนหน้าตรงข้ามของคริสตัล
5. ดังนั้น การบีบคริสตัลจะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าขึ้นที่ด้านตรงข้าม และสิ่งนี้เรียกว่า พีโซอิเล็กทริก

ขั้นตอนที่เกี่ยวข้องในการผลิตไฟฟ้าพีโซอิเล็กทริก

วงจรเซ็นเซอร์เพียโซอิเล็กทริก

วงจรเซ็นเซอร์เพียโซอิเล็กทริกแสดงไว้ด้านล่าง ประกอบด้วยความต้านทานภายใน Ri ซึ่งเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าความต้านทานของฉนวน ตัวเหนี่ยวนำจะเชื่อมต่ออยู่ ซึ่งจะทำให้เกิดความเหนี่ยวนำเนื่องจากความเฉื่อยของเซ็นเซอร์ ค่าความจุ Ce จะแปรผกผันกับความยืดหยุ่นของวัสดุเซ็นเซอร์ เพื่อให้ได้การตอบสนองที่สมบูรณ์ของเซ็นเซอร์ ความต้านทานโหลดและการรั่วไหลควรมีค่ามากเพียงพอเพื่อให้รักษาความถี่ต่ำไว้ได้

วงจรเซ็นเซอร์เพียโซอิเล็กทริก

การประยุกต์ใช้งานของเซนเซอร์เพียโซอิเล็กทริก:

1. เซ็นเซอร์วัดแรงดันแบบเพียโซรีซิสทีฟ:

• ใช้ในการวัดแรงดันแบบไดนามิก การวัดแรงดันแบบไดนามิกได้แก่ ความปั่นป่วน การเผาไหม้ของเครื่องยนต์ เป็นต้น การเปลี่ยนแปลงแรงดันในของเหลวและก๊าซในการวัดแรงดันกระบอกสูบ กระบวนการไฮดรอลิก สามารถวัดได้โดยใช้เซ็นเซอร์แรงดันแบบเพียโซรีซิสทีฟ

เซ็นเซอร์วัดแรงดันเพียโซอิเล็กทริก

• เมื่อแรงกระทำต่อไดอะแฟรมเพียโซอิเล็กทริก จะสร้างประจุไฟฟ้าขึ้นบนหน้าคริสตัล โดยวัดเอาต์พุตเป็นแรงดันไฟฟ้าซึ่งเป็นสัดส่วนกับแรงดันที่ใช้

2. เครื่องแปลงสัญญาณอัลตราซาวนด์และคริสตัลเพียโซอิเล็กทริก:

• เซ็นเซอร์อัลตราซาวนด์จะสร้างคลื่นอัลตราซาวนด์ เมื่อถือเครื่องแปลงสัญญาณไว้ในมือข้างหนึ่ง ตำแหน่งของเครื่องจะเปลี่ยนแปลงไปเรื่อยๆ เพื่อให้คลื่นอัลตราซาวนด์ผ่านส่วนต่างๆ ของร่างกายที่ต้องการวิเคราะห์และแสดงภาพ คลื่นเสียงจะถูกส่งผ่านเนื้อเยื่อของร่างกาย คลื่นจะสะท้อนกลับมาเพื่อสร้างภาพของเนื้อเยื่อ นี่คือหลักการทำงานของระบบสร้างภาพอัลตราซาวนด์ โดยจะติดคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกไว้ที่ด้านหน้าของเครื่องแปลงสัญญาณ ซึ่งจะช่วยสร้างคลื่นอัลตราซาวนด์ อิเล็กโทรดทำหน้าที่เป็นโหนดเชื่อมต่อระหว่างคริสตัลกับเครื่องจักร เมื่อสัญญาณไฟฟ้าถูกส่งไปยังคริสตัล คลื่นอัลตราซาวนด์ที่มีความถี่ระหว่าง 1.5 ถึง 8 เมกะเฮิรตซ์จะถูกสร้างขึ้นเนื่องจากการสั่นสะเทือน

3. ในการใช้งานทางอุตสาหกรรม เซ็นเซอร์เพียโซอิเล็กทริกใช้ในเซ็นเซอร์น็อคเครื่องยนต์ เซ็นเซอร์แรงดัน อุปกรณ์โซนาร์ ฯลฯ

4. ตัวกระตุ้นเพียโซอิเล็กทริกถูกนำไปใช้ในหัวฉีดเชื้อเพลิงดีเซล การปรับด้วยแสง การทำความสะอาดด้วยคลื่นเสียงเหนือเสียง และการเชื่อม

5. เซ็นเซอร์ใช้ในเครื่องใช้ไฟฟ้า เช่น เครื่องพิมพ์ดอทเมทริกซ์ เครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ท ลำโพงเพียโซ บัซเซอร์ เครื่องเพิ่มความชื้น เป็นต้น

6. ในเครื่องดนตรี เช่น ปิ๊กอัพเครื่องดนตรี และไมโครโฟน

‍