Como estudiante de ingeniería mecánica, a menudo escuchamos que los materiales piezoeléctricos son materiales que producen una corriente eléctrica cuando se los somete a una tensión mecánica. El proceso piezoeléctrico también es reversible, por lo que si aplica una corriente eléctrica a estos materiales , en realidad cambiarán ligeramente de forma (un máximo del 4%).
Usualmente en Ingeniería mecánica su uso en
- Medidores de deformación
- Probador de rugosidad de superficie.
- Equipo de medida de peso digital
- Dispositivos de medición de presión
- dispositivos de medición de temperatura
Sensores piezoeléctricos en aplicaciones industriales
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Sensores de detonación del motor: los fabricantes de motores se enfrentan constantemente a desafíos relacionados con el control de los parámetros del motor. En circunstancias incorrectas, los motores de gasolina son susceptibles a un fenómeno indeseable conocido como detonación. Cuando se produce la detonación, la carga de aire / combustible explota en lugar de quemarse suavemente y dañar el motor. Históricamente, esta es la razón por la cual la mayoría de los fabricantes diseñaron motores con márgenes operativos conservadores a expensas de la eficiencia: fue para evitar este notorio problema.
Con el desarrollo de mejores sistemas de control, los parámetros relevantes del motor pueden ajustarse en tiempo real para maximizar la eficiencia y la potencia. Si la detonación comienza a ocurrir, se pueden emplear sensores de detonación piezoeléctricos para detectar la detonación antes de que se vuelva problemática. Esto le da tiempo a los sistemas de control para hacer los ajustes necesarios. [1]
Sensores de presión: en casi cualquier aplicación que requiera la medición de cambios dinámicos de presión, el uso de sensores de presión piezoeléctricos produce resultados más confiables que el uso de sensores de presión electromecánicos convencionales. Esto se debe a que los dispositivos piezoeléctricos tienen una respuesta de alta frecuencia y conversión de señal sin requerir ningún fuelle, diafragma o ningún tipo de enlace mecánico junto con un medidor de deformación o sensor de desplazamiento.
Equipo de sonda: las sondas de profundidad y el equipo de sonda dependen en gran medida de los sensores piezoeléctricos para transmitir y recibir “pings” ultrasónicos en el rango de 50-200 kHz. Además de tener una respuesta de frecuencia ideal para tales aplicaciones, los transductores piezoeléctricos tienen una alta densidad de potencia que permite transmitir grandes cantidades de potencia acústica desde un paquete pequeño. Por ejemplo, un transductor que tiene solo 4 ”(100 mm) de diámetro puede ser capaz de manejar una potencia de salida superior a 500 vatios.
Usos de actuadores piezoeléctricos en aplicaciones industriales
Si bien los sensores piezoeléctricos son muy valiosos para el sector industrial, la industria también utiliza actuadores piezoeléctricos para una variedad de aplicaciones:
Inyectores de combustible diesel: en la última década, las regulaciones sobre emisiones de motores diesel se han vuelto cada vez más estrictas. Además, los clientes continúan exigiendo motores más silenciosos con curvas de potencia y par mejoradas. Para cumplir con estas estrictas demandas de cumplimiento y rendimiento, los fabricantes de motores han recurrido al uso de inyecciones de combustible cronometradas y medidas con precisión durante el proceso de combustión.
Por increíble que parezca, un solo inyector de combustible puede activar y desactivar varias veces el flujo de combustible con presiones superiores a 26,000 psi (1800 bar) en una sucesión rápida durante un solo golpe de potencia. Tal control preciso del fluido a alta presión es posible mediante el uso de actuadores piezoeléctricos que controlan válvulas pequeñas dentro de inyectores de combustible.
Solenoides de respuesta rápida: algunos procesos requieren una actuación mecánica rápida y precisa que es difícil, si no imposible, de lograr con solenoides electromagnéticos. Si bien la velocidad puede no ser siempre una preocupación, el consumo de energía o el tamaño compacto es una prioridad. En tales casos, los actuadores piezoeléctricos a menudo pueden llenar el nicho ya que proporcionan una respuesta rápida y un bajo consumo de energía en paquetes pequeños, en comparación con los solenoides electromagnéticos.
Ajuste óptico: algunas ópticas deben ajustarse o modularse con una respuesta de frecuencia amplia y con un número mínimo de piezas móviles. Los actuadores piezoeléctricos a menudo se emplean en tales aplicaciones donde proporcionan un control rápido y preciso durante una larga vida útil:
– Es posible que sea necesario variar con precisión el ángulo de un espejo o una rejilla de difracción de acuerdo con una entrada eléctrica. Tales aplicaciones a menudo se encuentran en experimentos ópticos o físicos.
– Las matrices de telescopios terrestres están sujetas a distorsión atmosférica, y la óptica de las naves espaciales está sujeta a movimientos y vibraciones. En tales casos, la óptica puede necesitar ser ajustada (conformada o contorneada) en tiempo real por medio de un sistema de control. Esto compensará las aberraciones que de otro modo impedirían la resolución de la imagen.
– Algunos convertidores de fibra óptica dependen de actuadores piezoeléctricos para modular la salida de un láser.
Limpieza ultrasónica: los actuadores piezoeléctricos también se utilizan para aplicaciones de limpieza ultrasónica. Para realizar la limpieza ultrasónica, los objetos se sumergen en un solvente (agua, alcohol, acetona, etc.). Un transductor piezoeléctrico agita el solvente. Muchos objetos con superficies inaccesibles pueden limpiarse utilizando esta metodología.
Soldadura ultrasónica: muchos plásticos se pueden unir mediante un proceso conocido como soldadura ultrasónica. Este tipo de proceso requiere que las ondas ultrasónicas se transmitan a un área enfocada donde pueden causar que se fusionen piezas de plástico. Con frecuencia, los actuadores piezoeléctricos se utilizan para realizar esta tarea.
Motores piezoeléctricos: una ventaja de utilizar materiales piezoeléctricos es que sus características son precisas y predecibles. Por lo tanto, la expansión y contracción de un actuador piezoeléctrico se puede controlar con precisión siempre que se controle la tensión de alimentación. Algunos diseños de motores aprovechan este hecho al usar elementos piezoeléctricos para mover un rotor o elemento lineal en incrementos precisos. La precisión en el orden de los nanómetros se puede lograr con algunos diseños de motores piezoeléctricos. Los motores piezoeléctricos funcionan en un amplio rango de frecuencias, pero generalmente funcionan mejor en un rango de baja frecuencia.
Además de su precisión inherente, los motores piezoeléctricos se pueden usar en entornos con campos magnéticos fuertes o temperaturas criogénicas, entornos en los que es poco probable que funcionen los motores convencionales. Estos desafíos únicos están presentes en máquinas NMRI, aceleradores de partículas y otros entornos similares.
Accionadores de apilamiento: se pueden apilar múltiples elementos piezoeléctricos para multiplicar el desplazamiento logrado para un voltaje dado. Estos tipos de dispositivos se conocen como actuadores de pila, y se emplean en una variedad de aplicaciones especiales. En comparación con los actuadores electromagnéticos convencionales, los actuadores apilados tienen las siguientes ventajas únicas:
– Pueden funcionar a temperaturas criogénicas o en entornos con fuertes campos magnéticos.
– Pueden producir una gran cantidad de fuerza en un paquete pequeño
– Pueden responder casi instantáneamente a la entrada con altas tasas de aceleración.
– Pueden alcanzar niveles extremadamente altos de precisión.
– Solo consumen energía cuando el trabajo realmente se está realizando.
Estos actuadores encuentran sus usos en válvulas proporcionales, relés eléctricos, modulación óptica, amortiguación de vibraciones y otras aplicaciones que requieren un control rápido o preciso del movimiento.
Actuadores de banda: dos bandas de material piezoeléctrico se pueden intercalar en una configuración similar a una banda bimetálica. En esta configuración, la entrada eléctrica hace que una tira se expanda mientras que la otra tira se contrae simultáneamente, provocando una desviación.
Relés piezoeléctricos: los elementos piezoeléctricos pueden implementarse para accionar relés electromecánicos o interruptores. Para estas aplicaciones, se pueden usar actuadores de banda o actuadores de pila para abrir y cerrar contactos eléctricos. Dichos dispositivos no requieren mantenimiento y duran muchos ciclos sin desgaste notable. Como beneficio adicional, el uso de actuadores piezoeléctricos para operar contactos eléctricos permite un control rápido y preciso en paquetes pequeños que son difíciles o imposibles de lograr con relés electromagnéticos.
Notas al pie
[1] Principales usos de la piezoelectricidad en aplicaciones cotidianas