প্রকৌশল শব্দবিজ্ঞান/পিজোইলেকট্রিক ট্রান্সডিউসার

ভূমিকা

"পাইজোইলেকট্রিসিটি" শব্দটি গ্রিক শব্দ "piezo" থেকে এসেছে, যার অর্থ চাপ; অর্থাৎ চাপের ফলে উৎপন্ন বিদ্যুৎ। কিছু নির্দিষ্ট স্ফটিক পদার্থ যান্ত্রিক চাপের অধীনে বৈদ্যুতিক চার্জ সৃষ্টি করে এবং বিপরীতভাবে, বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের উপস্থিতিতে যান্ত্রিক বিকৃতি অনুভব করে। পাইজোইলেকট্রিক প্রভাব এমন একটি পরিস্থিতিকে বর্ণনা করে যেখানে ট্রান্সডিউসিং উপাদান ইনপুট যান্ত্রিক কম্পন শনাক্ত করে এবং কম্পনের ফ্রিকোয়েন্সিতে একটি বৈদ্যুতিক চার্জ উৎপন্ন করে। একটি AC ভোল্টেজ পাইজোইলেকট্রিক উপাদানকে ইনপুট কারেন্টের ফ্রিকোয়েন্সিতে দোলনকারী গতিতে কম্পিত করে।

কোয়ার্টজ হলো সবচেয়ে পরিচিত একক স্ফটিক উপাদান যার পাইজোইলেকট্রিক বৈশিষ্ট্য রয়েছে। শক্তিশালী পাইজোইলেকট্রিক প্রভাবগুলি ABO₃, পেরোভস্কাইট স্ফটিক কাঠামোর উপাদানগুলিতে প্ররোচিত করা যায়। এখানে 'A' নির্দেশ করে একটি বৃহৎ ডাইভ্যালেন্ট ধাতব আয়ন যেমন সীসা, এবং 'B' নির্দেশ করে একটি ছোট টেট্রাভ্যালেন্ট আয়ন যেমন টাইটেনিয়াম বা জিরকোনিয়াম।

কোনো স্ফটিক যাতে পাইজোইলেকট্রিক প্রভাব দেখাতে পারে, তার গঠনে কেন্দ্রিক সমতা থাকা উচিত নয়। স্ফটিকের ওপর টেনসাইল বা কম্প্রেসিভ চাপ প্রয়োগ করলে কোষের মধ্যে ধনাত্মক ও ঋণাত্মক আয়নের মধ্যকার ব্যবধান পরিবর্তিত হয় এবং ফলস্বরূপ স্ফটিকের পৃষ্ঠে একটি নেট পোলারাইজেশন সৃষ্টি হয়। এই পোলারাইজেশন প্রয়োগকৃত চাপের সাথে সরলরেখায় পরিবর্তিত হয় এবং এটি দিকনির্ভর, যার ফলে টেনসাইল ও কম্প্রেসিভ চাপ বিপরীত ভোল্টেজ সৃষ্টি করে।

কম্পন ও সরে যাওয়া

পাইজোইলেকট্রিক সিরামিক উপাদানগুলির ইউনিট সেল কিউরি তাপমাত্রার নিচে অ-কেন্দ্রসাম্যমিতিক হয় এবং কিউরি তাপমাত্রার উপরে কেন্দ্রসাম্যমিতিক হয়।অ-কেন্দ্রসাম্যমিতিক গঠন একটি নেট বৈদ্যুতিক ডাইপোল মোমেন্ট সরবরাহ করে। এই ডাইপোলগুলো এলোমেলোভাবে বিন্যস্ত থাকে যতক্ষণ না একটি শক্তিশালী DC বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র প্রয়োগ করা হয়, যা স্থায়ী পোলারাইজেশন সৃষ্টি করে এবং ফলে পাইজোইলেকট্রিক বৈশিষ্ট্য দেখা যায়।

একটি পোলারাইজড সিরামিক যখন যান্ত্রিক চাপে পড়ে তখন স্ফটিক ল্যাটিস বিকৃত হয় এবং সমষ্টিগত ডাইপোল মোমেন্ট পরিবর্তিত হয়। প্রয়োগকৃত চাপে ডাইপোল মোমেন্টের এই পরিবর্তন একটি নেট বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র সৃষ্টি করে যা চাপের সাথে সরলরেখায় পরিবর্তিত হয়।

গতিশীল কর্মক্ষমতা

একটি পাইজোইলেকট্রিক উপাদানের গতিশীল কর্মক্ষমতা নির্দেশ করে এটি যান্ত্রিক রেজোন্যান্সের কাছাকাছি পরিবর্তনশীল চাপের অধীনে কেমন আচরণ করে। নিচের সমতুল্য বর্তনীতে C2-এর সঙ্গে L1, C1, এবং R1 সমান্তরাল সংযোগে রয়েছে যা ট্রান্সডিউসারের রিঅ্যাকট্যান্সকে নিয়ন্ত্রণ করে যা ফ্রিকোয়েন্সি নির্ভর।

সমতুল্য বৈদ্যুতিক বর্তনী

ফ্রিকোয়েন্সি প্রতিক্রিয়া

নিচের গ্রাফে দেখানো হয়েছে একটি পাইজোইলেকট্রিক ট্রান্সডিউসারের ইমপিডেন্স ফ্রিকোয়েন্সির সাথে কিভাবে পরিবর্তিত হয়। fm-এ সর্বনিম্ন মানটি রেজোন্যান্স নির্দেশ করে, এবং fn-এ সর্বোচ্চ মানটি অ্যান্টি-রেজোন্যান্স নির্দেশ করে।

রেজোন্যান্ট যন্ত্রপাতি

নন-রেজোন্যান্ট যন্ত্রপাতিগুলিকে একটি ক্যাপাসিটর দ্বারা মডেল করা যায়, যা পাইজোইলেকট্রিক উপাদানের ক্যাপাসিট্যান্সকে নির্দেশ করে, এবং একটি ইমপিডেন্স দ্বারা যা যান্ত্রিকভাবে কম্পনকারী সিস্টেমকে সার্কিটে শান্ট হিসাবে মডেল করে। নন-রেজোন্যান্ট অবস্থায় ইমপিডেন্স একটি ক্যাপাসিটরের মতো আচরণ করে, যা সার্কিটটিকে একটি একক ক্যাপাসিটরে রূপান্তরিত করতে দেয়।

রেজোন্যান্ট যন্ত্রগুলির ক্ষেত্রে ইমপিডেন্স রেজোন্যান্সে একটি রেজিস্ট্যান্স বা স্ট্যাটিক ক্যাপাসিট্যান্সে পরিণত হয়। এটি একটি অপছন্দনীয় প্রভাব। যান্ত্রিকভাবে চালিত সিস্টেমগুলিতে এই প্রভাব ট্রান্সডিউসারের ওপর একটি লোড হিসেবে কাজ করে এবং বৈদ্যুতিক আউটপুট হ্রাস করে। বৈদ্যুতিকভাবে চালিত সিস্টেমগুলিতে এই প্রভাব ড্রাইভারকে শর্ট করে দেয় যার ফলে বেশি ইনপুট কারেন্ট প্রয়োজন হয়। রেজোন্যান্ট অপারেশনের সময় অভিজ্ঞ স্ট্যাটিক ক্যাপাসিট্যান্সের বিরূপ প্রভাব একটি শান্ট বা সিরিজ ইন্ডাক্টর ব্যবহার করে প্রতিকার করা যায় যা স্ট্যাটিক ক্যাপাসিট্যান্সের সাথে অপারেটিং ফ্রিকোয়েন্সিতে রেজোন্যান্স সৃষ্টি করে।

প্রয়োগসমূহ

যান্ত্রিক পরিমাপ

পাইজোইলেকট্রিক উপাদানের ডাইইলেকট্রিক লিকেজ কারেন্ট থাকার কারণে তারা ধীরে পরিবর্তনশীল বল বা চাপ পরিমাপের কাজে উপযুক্ত নয়। তবে তারা অত্যন্ত গতিশীল পরিমাপের কাজে উপযুক্ত যেমন বিস্ফোরণ গেজ এবং অ্যাক্সেলোমিটার।

আল্ট্রাসোনিক

উচ্চ তীব্রতাসম্পন্ন আল্ট্রাসাউন্ড প্রয়োগে হাফ-ওয়েভলেন্থ ট্রান্সডিউসার ব্যবহার করা হয় যাদের রেজোন্যান্ট ফ্রিকোয়েন্সি ১৮ kHz থেকে ৪৫ kHz এর মধ্যে। উচ্চ তীব্রতা তৈরির জন্য বড় আকারের ট্রান্সডিউসার উপাদান প্রয়োজন হয়, যা উৎপাদনে জটিল এবং অর্থনৈতিকভাবে অব্যবহারযোগ্য। এছাড়াও, হাফ-ওয়েভলেন্থ ট্রান্সডিউসারগুলির মধ্যে সর্বোচ্চ স্ট্রেস অ্যাম্প্লিটিউড কেন্দ্রে ঘটে, ফলে প্রান্তীয় অংশগুলি নিষ্ক্রিয় ভরের মতো আচরণ করে। এই প্রান্তীয় অংশগুলি প্রায়ই ধাতব পাত দ্বারা প্রতিস্থাপিত করা হয় যাদের যান্ত্রিক গুণগত মান অনেক বেশি; ফলে যৌগিক ট্রান্সডিউসারের যান্ত্রিক গুণমান একক অংশের তুলনায় বেশি হয়।

সামগ্রিক ইলেকট্রো-অ্যাকোস্টিক দক্ষতা হলো:

$\eta \approx 1-{\frac {1}{1+k_{eff}^{2}Q_{E}Q_{L}}}-{\frac {1}{1+{\frac {Q_{m0}}{Q_{L}}}}}$

             Qm0 = আনলোডেড যান্ত্রিক গুণমান সহগ
             QE  = বৈদ্যুতিক গুণমান সহগ
             QL  = শুধুমাত্র অ্যাকোস্টিক লোডজনিত গুণমান সহগ

ডান পাশে দ্বিতীয় পদটি হলো ডাইইলেকট্রিক ক্ষতি এবং তৃতীয় পদটি যান্ত্রিক ক্ষতি।

দক্ষতা সর্বাধিক হয় যখন:

$Q_{L}={\frac {1}{k_{eff}}}{\sqrt {\frac {Q_{m0}}{Q_{E}}}}=Q_{Lopt}$

তখন:

$\eta _{\max }=1-{\frac {2}{k_{\mathrm {eff} }{\sqrt {Q_{E}Q_{m0}}}}}\qquad \left(k_{\mathrm {eff} }{\sqrt {Q_{E}Q_{m0}}}\ll 1\right)$

সর্বাধিক আল্ট্রাসোনিক দক্ষতা দ্বারা বর্ণিত হয়:

$I_{\mathrm {w} max}={\frac {1}{2}}(\omega _{5}u_{l})_{max}^{2}\ \rho _{m\mathrm {w} }\nu _{\mathrm {w} }(W/m^{2})$

আল্ট্রাসোনিক ট্রান্সডিউসারের প্রয়োগগুলির মধ্যে রয়েছে:

 প্লাস্টিক ওয়েল্ডিং
 তরল বাষ্পীভবন 
 আল্ট্রাসোনিক ড্রিলিং
 আল্ট্রাসোনিক পরিষ্কারকরণ
 আল্ট্রাসাউন্ড
 অ-ধ্বংসাত্মক পরীক্ষণ
 ইত্যাদি

আরও তথ্য ও সূত্র

MorganElectroCeramics
পাইজোইলেকট্রিক ট্রান্সডিউসার সংক্রান্ত রিসোর্স