Efeito Piezoelétrico

Por | 3 de maio de 2016

Em 1880, os irmãos Pierre e Jacques Curie estudando as propriedades de cristais de quartzo e turmalina, descrevem o efeito piezoelétrico (grego: piezein = comprimir), onde quando se promovia a compressão mecânica destes cristais, ocorria polarização e descarga elétrica.

Resumidamente estes cristais possuem a propriedade de gerar uma pequena diferença de potencial elétrico quando comprimidos.SchemaPiezo


Figura 1 – Efeito piezelétrico:

M9 1

De forma reversa, uma vez polarizados eletricamente, os mesmos se deformam.


Figura 2 – Efeito piezelétrico reverso:

M9 2

Essas são propriedades interessantes pois trata-se de um conversor natural entre grandezas mecânicas e elétricas.

Imediatamente podemos imaginar a aplicação desta propriedade para medir a pressão. Simplesmente a grandeza mecânica (pressão) deforma o cristal este já nos transmite um sinal elétrico proporcional à pressão aplicada sobre o mesmo. Poderíamos medir a pressão dinâmica numa câmara de combustão ou a pressão em bombas de injeção diesel.

Outra aplicação seria a utilização como sensores de vibração e aceleração tais como em sistemas de proteção como air-bags e cintos de segurança, controle da detonação em motores de combustão interna, detecção de taxas de aceleração lateral em sistemas de controle de estabilidade ou detecção de mudanças de velocidade em veículos 4×4 equipados com ABS.

As aplicações vão além da utilização direta do fenômeno. Podemos excitar um cristal com um sinal de modo que este passe a emitir impulsos ultra-sônicos e depois captar, pelo princípio inverso, o eco destes impulsos refletidos em um obstáculo e calcular a distância entre o veículo e o obstáculo. Em resumo, os sistemas de auxílio de estacionamento com sensores ultra-sônico dependem fundamentalmente do efeito piezoelétrico.

Sensores ultra-som utilizados em sistemas de alarme ou sensores de aproximação para detecção de objetos potencialmente perigosos no ângulo morto (fora do ângulo de visão humano), também podem ser baseados no efeito piezoelétrico.

Como atuador, o efeito piezoelétrico reverso, é utilizado, por exemplo, como injetor de combustível em sistemas de gerenciamento eletrônico de motores diesel. O atuador piezo substitui a válvula magnética com a vantagem de ser significativamente mais rápido. Entre as vantagens:

  1. Elimina a conexão mecânica entre atuador e agulha do bico. Ou seja, sem atrito ou deformações elásticas dos elementos de conexão;
  2. Injetor mais leve;
  3. Redução drástica do volume de retorno no atuador;
  4. Injetor mais compacto;
  5. Peso reduzido (aproximadamente 50%);
  6. Possibilidade de várias injeções por ciclo de injeção;
  7. Redução do intervalo entre as injeções;

 

Estas vantagens permitem entre outras coisas:

  1. Redução do nível de ruido do motor;
  2. Redução do nível de emissões;
  3. Aumento da potência do motor;

 

Concluindo: o efeito piezelétrico se enquadra com um dos alicerces do conhecimento que devemos possuir para um entendimento razoável dos sensores e atuadores aplicados ao gerenciamento e controle de sistemas automotivos. Os outros:

  • Indução eletromagnética;
  • Efeito hall;
  • Lei de ohm (potenciômetros, termistores, extensômetros, e outros);
  • Polarização elétrica de uma membrana;
  • Magneto-resistência.

 

Também assista o vídeo de um Teste de bancada de um sensor de detonação piezoelétrico.

 

 

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Na próxima entrega, descreveremos como pode se medir o fluxo de ar utilizando o ultra-som.

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Efecto piezoeléctrico

En 1880 los hermanos Pierre y Jacques Curie, estudiando las propiedades de cristales de cuarzo y turmalina, describieron el efecto piezoeléctrico (del grego pieze: comprimir), donde al aplicar compresión mecánica a estes cristales, ocurría polarización y descarga eléctrica.

Resumiendo, estes cristales poseen la propiedad de generar una pequeña diferencia de potencial eléctrico cuando son comprimidos.

Estas son propiedades interesantes, pues estamos tratando de un conversor natural entre grandezas mecánicas eléctricas.

Inmediatamente podemos imaginar la aplicación de esta propiedad para medir presión. Simplemente la grandeza mecánica (presión) al deformar el cristal, éste ya nos transmite una señal eléctrica proporcional a la presión aplicada sobre el mismo. Podríamos medir la presión dinámica en una cámara de combustión o presión en bombas de inyección diesel.

Otra aplicación sería la utilización como sensores de vibración y aceleración, tales como en sistemas de protección como air-bag y cinturones de seguridad, control de la detonación en motores de combustión interna, detección de tasas de aceleración lateral en sistemas de control de estabilidad o detección de cambios de velocidad en vehículos 4×4 equipados con ABS.

Las aplicaciones van más allá de la utilización directa del fenómeno. Podemos aplicar una señal a un cristal de modo que éste pase a emitir impulsos ultrasónicos y después captar, por el principio inverso, el eco de estos impulsos reflejados en un obstáculo, y calcular la distancia entre el vehículo y dicho obstáculo.  En resumen, los sistemas de auxilio de estacionamiento con sensores ultrasónicos dependen fundamentalmente del efecto piezoelétrico.

Sensores ultrasónicos utilizados en sistemas de alarma o sensores de aproximación para la detección de objetos potencialmente peligrosos en el ángulo muerto (punto ciego fuera del ángulo de visión humana), también pueden basearse en el efecto piezoeléctrico.

Como actuador, el efecto piezoeléctrico reverso es utilizado, por ejemplo, como inyector de combustible en sistemas de gestión electrónica de motores diesel. El actuador piezo substituye la válvula magnética con la ventaja de ser significativamente más rápido. Entre otras ventajas:

  1. Elimina la conexión mecánica entre actuador y aguja de la válvula. O sea, sin fricción, roce o deformaciones elásticas de los elementos de conexión;
  2. Inyector más liviano;
  3. Reducción drástica del volumen de retorno en el actuador;
  4. Inyector más compacto;
  5. Peso reducido (aproximadamente 50%);
  6. Posibilidad de varias inyecciones por ciclo de inyección;
  7. Reducción del intervalo entre las inyecciones.

Estas ventajas permiten, entre otras cosas:

  1. Reducción del nivel de ruído del motor;
  2. Reducción del nivel de emisiones;
  3. Aumento de la potencia del motor.

En conclusión, el efecto piezoeléctrico se encuadra como uno de las bases del conocimiento que debemos poseer para un entendimiento razonable de los sensores y actuadores aplicados a la gestión y control de sistemas automotores, los otros:

  • Inducción electromagnética;
  • Efecto hall;
  • Ley de Ohm (potenciómetros, termistores, extensómetros, y otros);
  • Polarización eléctrica de una membrana;
  • Resistencia magnética.

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