Artk4. Piëzo elektricsh effect

Wat is een Piëzo element/ het Piëzo elektrisch effect


Waarom is dit van toepassing

Op de een of andere manier moeten we er in slagen om een slag van een houten stok op een drumpad om te zetten in een elektrisch signaal. Hierbij zouden we liefst kunnen afleiden hoe hard deze slag was en eventueel ook of deze slag in het midden of aan de zijkant van de pad is gebeurd. Een piëzo element is dus perfect voor ons.



Definitie

Het piëzo-elektrisch effect is het verschijnsel dat bij bepaalde materialen de kristallen onder invloed van druk (bijvoorbeeld buiging) een elektrische spanning produceren en andersom.



Werking

Op een rond metalen plaatje wordt een kleiner keramisch plaatje aangebracht, dat is omgeven door twee elektroden. Alleen dit keramisch plaatje vertoont het effect. Als je nu een gelijkspanning aansluit op de elektroden zal het keramische plaatje samentrekken waardoor het metalen plaatje buigt. Als deze spanning wordt omgedraaid zal het keramische plaatje uitzetten waardoor het metalen plaatje naar de andere kant buigt.

Dit principe kunnen we dus ook omkeren, als we het metalen plaatje doen trillen zal het keramisch plaatje vervormen en een spanning ontwikkelen in functie van die vervorming. Die spanning zullen we dan filteren met behulp van een schakeling dat opamps, weerstanden en condensatoren inhoud zodat we vastere waarden krijgen om mee verder te werken.


Voorbeeld van uitgangsspanning verkregen door tikken op Piëzo-element:



Uit: http://gip.stienoo.be/scriptie.pdf



Bekende toepassingen en voorbeelden

Het materiaal is te vinden in auto elektronica, medische apparaten en industriële systemen. Ook bekend is de toepassing in de ‘aansteker’ bij een gas kookstel, het pick-up element, de microfoon en luidspreker, geluidsfiltering, voor trilling reductie bij tennisrackets en ski’s, bij de ontsteking in dieselmotoren, in de parkeersensor, de airbag, voor het trillen van een mobiele telefoon, voor actieve feedback van toetsen, bij het scherpstellen van een fotocamera voor het positioneren van lenzen in de camera, in inktjet printers, in PC klokken, bij een harddisk (positioneren van de lees- en schrijfkop), in blinden toetsenborden, in echoscopie - en MRI-apparaten, in micropompjes voor het afgeven van geneesmiddelen, in microscopen voor onderzoek op nanoschaal, voor het ultrasoon reinigen in medische apparaten en in vele componenten voor geïntegreerde schakelingen.

 







Voordelen en nadelen 

Voordelen:

• Nauwkeurige metingen haalbaar, omdat de omzetting van mechanische spanning naar voltage lineair is 
• Nauwkeurige bewegingen kunnen gemaakt worden om dezelfde reden 
• Elektrische spanning kan worden opgewekt op plekken waar andere voeding niet beschikbaar is 
• Elektrische spanning kan worden opgewekt met energie die anders verloren zou gaan
• De natuurlijke trilfrequentie die het materiaal heeft, kan gebruikt worden om horloges op tijd te laten lopen 
• Het materiaal wordt al in talloze toepassingen gebruikt en is daarom goedkoop en goed verkrijgbaar.

Nadelen:

• Spanning wordt vertaald in een hoog voltage en laag ampèrage 
• Bij een constante mechanische spanning loopt er maar kort een stroompje 
• De verlenging die bereikt kan worden is maximaal 0,1%, er zijn slimme methoden nodig om dit te vergroten, zoals Bimorph of Multi-layer.

Sensoren

Piëzo blok sensoren kunnen een beweging zeer nauwkeurig omzetten in een elektrische spanning. Door deze spanning te meten kan worden berekend welke mechanische spanning er op het piëzoblokje heeft gestaan.

De sensoren worden toegepast om onbalans te meten in draaiende machines, in parkeersensoren, in niveaumeters, in flowmeters en als accelerometer (om bijvoorbeeld airbags te activeren). Verder in inbraaksystemen van auto’s en glasbreuk detectoren. Daarnaast kunnen ze als geluidsbron (zoemer) en als geluidssensor (in microfoons) en in een pick-up element en elementen van muziekinstrumenten gebruikt worden om trillingen om te zetten in geluid. Ook kunnen vloeistof niveaus worden gemeten door de veranderende resonantiefrequentie van een soort stemvorkje als deze in de vloeistof komt.

Energie opwekken Generatoren / ‘harvesting’

De laatste jaren worden er toepassingen van piëzo als generator ontwikkeld. De elektronische circuits van producten hebben namelijk een steeds lager vermogen nodig om te kunnen functioneren. Piëzo is hiermee een optie geworden als bruikbare energiebron. Voorbeeld hiervan is bijvoorbeeld een interactieve tegel die LED’s laat oplichten door erop te springen (Tauw ‘e-tegel’).

Klik hier voor de e-tegel 

Piëzo kan een beweging omzetten in elektriciteit. Zo kunnen apparaten op een lastige plek gevoed worden, of kan onbenutte energie gebruikt worden om apparaten van elektriciteit te voorzien.


Piëzo als energie generator toe te passen heeft als voordelen:

• Elektriciteit kan worden opgewekt op lastig te bereiken plekken
• Er is vrijwel geen onderhoud noodzakelijk 
• Het heeft een grote levensduur
• Lage kostprijs voor de piëzo componenten.

Als nadelen zijn er:

• Lage elektriciteit opbrengst (afhankelijk van de kracht en aantal cycli per uur)
• Veel variabelen die invloed hebben op het rendement
• Er is moeilijk om aan te rekenen. Om te bepalen of een element geschikt is voor een bepaalde toepassing moet gekozen worden voor empirisch onderzoek.

Uit: https://www.saxion.nl/wps/wcm/connect/532efa3e-8037-4fc9-84ea-6056d6566026/IMPT_Pi%C3%ABzo_v0.1.pdf?MOD=AJPERES