압전 센서(Piezoelectric Sensor)

압전 효과

피에조는 그리스어로 "프레스" 또는 "스퀴즈"를 의미합니다. 압전 효과(piezelectric effect라고도 함)는 결정을 압착함으로써 기계적 응력이 작용할 때 결정의 측면에 걸쳐 전위가 존재하는 것입니다. 작동 시스템에서 결정은 한쪽 면에는 양전하를, 반대쪽 면에는 음전하를 갖는 작은 배터리처럼 작동합니다. 완전한 회로로 만들기 위해 두 개의 면이 서로 연결되고 전류가 흐릅니다.

 

예제:

• 기계응력분석기 : 건물 시공시 기둥에 응력분석기를 사용하여 응력으로 인해 발생하는 전압을 측정하여 그에 상응하는 응력을 계산함.
  라이터: 가스 버너 라이터와 담배 라이터는 압전 효과를 이용합니다. 그들은 내부의 물질에 대한 트리거의 갑작스러운 충격에 의해 발생하는 힘으로 인해 전기 펄스를 생성합니다.

 

역 압전 효과

효과는 가역적입니다. 전기장이 결정 단자에 적용될 때마다, 그것은 기계적 응력을 받고 형상 변화를 초래합니다. 이를 역 압전 효과라고 합니다.

 

역 압전 효과

 

 

예제:

• Quartz Watch: 우리의 일상적인 사용에서 손목시계는 발진기로 작동하는 Quartz Resonator를 사용합니다. 사용되는 원소는 이산화규소입니다. 결정에 전기 신호가 가해지면 결정이 진동하여 주기적으로 시계 내부의 기어를 조절하는 데 도움이 됩니다.
  
• 피에조 부저: 자동차 후진 표시기, 컴퓨터 등과 같은 많은 응용 분야에서 부저가 사용됩니다. 크기와 주파수의 값을 가진 일정량의 전압이 결정에 인가되어 결정을 진동시킵니다. 진동이 소리로 변환됩니다..

 

압전 센서란?

센서가 압전의 원리에 따라 작동할 때, 그것은 압전 센서로 알려져 있습니다. 압전성은 재료에 기계적 응력이 가해지면 전기가 발생하는 현상입니다. 압전 효과를 사용하여 가속도, 변형률, 압력 및 힘의 변화를 전하로 변환하여 측정하는 센서를 압전 센서라고 합니다. 생성된 이 압전은 강한 압전 결정의 기판에 가해지는 응력에 비례합니다.

 

압전 센서

 

 

압전 센서의 작동

PZT 재료에 압력이나 가속도가 가해지면 크리스탈 면에 동일한 양의 전하가 생성됩니다. 전하는 적용된 압력에 비례합니다. 압전 센서는 정압을 측정하는 데 사용할 수 없습니다. 일정한 압력에서 출력 신호는 0이 됩니다.

 

압전 센서의 작동은 다음과 같이 요약할 수 있습니다.

1. 압전 결정에서 전하는 비대칭 배열에서도 정확히 균형을 이룹니다.
2. 전하의 효과는 서로 상쇄되므로 크리스탈 표면에서 순 전하가 발견되지 않습니다.
3. 결정이 압착되면 결정의 전하가 불균형해집니다.
4. 따라서 이제부터는 전하의 효과가 서로 상쇄되지 않아 순 양전하와 음전하가 결정의 반대쪽면에 나타납니다.
5. 따라서 수정을 압착하면 반대면에 전압이 생성되며 이를 압전이라고 합니다.

 

압전 생성과 관련된 단계

 

 

압전 센서 회로

압전 센서 회로는 아래와 같습니다. 내부 저항 R로 구성됩니다.나는 절연체 저항이라고도 합니다. 센서의 관성으로 인해 인덕턴스를 생성하는 인덕터가 연결됩니다. 커패시턴스 C의 값e 센서 재료의 탄성에 반비례합니다.

 

센서의 완전한 응답을 얻으려면 부하 및 누설 저항이 저주파가 유지될 만큼 충분히 커야 합니다.

 

압전 센서 회로

 

 

압전 센서의 응용 프로그램:

• 압전 저항 압력 센서:

동적 압력을 측정하는 데 사용됩니다. 동적 압력 측정에는 난류, 엔진 연소 등이 포함됩니다. 실린더 압력 측정에서 액체 및 가스의 압력 변화, 유압 공정은 압전 저항 압력 센서를 사용하여 측정할 수 있습니다.

 

압전 압력 센서

 

 

압전 다이어프램에 힘이 가해지면 수정면에 전하가 발생합니다. 출력은 적용된 압력에 비례하는 전압으로 측정됩니다.

• 초음파 변환기 및 압전 크리스탈 :

초음파 센서는 초음파를 생성합니다. 변환기를 한 손으로 잡으면 초음파가 분석 및 시각화 할 신체 부위를 통과하도록 위치가 변경됩니다. 음파는 신체 조직을 통해 보내집니다.

파동은 다시 반사되어 조직의 이미지를 만듭니다. 이것이 초음파 이미징 시스템의 작동 원리입니다. 여기에서 압전 결정이 변환기 전면에 부착되어 초음파를 생성하는 데 도움이 됩니다. 전극은 결정과 기계 사이의 연결 노드 역할을 합니다.

전기 신호가 크리스탈에 가해지면 진동으로 인해 1.5MHz에서 8MHz 사이의 주파수의 초음파가 생성됩니다

 

 

• 산업 응용 분야에서 압전 센서는 엔진 노크 센서, 압력 센서, 수중 음파 탐지기 장비 등에 사용됩니다.
• 압전 액추에이터는 디젤 연료 인젝터, 광학 조정, 초음파 세척 및 용접에 적용됩니다.
• 센서는 도트 매트릭스 프린터, 잉크젯 프린터, 피에조 스피커, 부저, 가습기 등과 같은 전기 제품에 사용됩니다.