La palabra "piezo" se deriva de una palabra griega que significa "presión". El fenómeno de la piezoelectricidad fue descubierto en 1880 por Pierre y Paul-Jacques Curie. esta característica ocurre en algunos cristales no centrosimétricos (no tienen centro de simetría), como cuarzo (SiO2), niobato de litio (LiNbO3), PZT (Pb(Zr1–xTix)O3) y PLZT ((Pb1–xLax)(Zr1–yTiy)O3) [22].
El efecto Piezoeléctrico es la base de las pruebas ultrasónicas que utilizan transductores de este tipo. Consiste en la conversión de pulsos eléctricos en vibraciones mecánicas y la conversión de vibraciones mecánicas devueltas en energía eléctrica. El elemento activo es el corazón del transductor ya que convierte la energía eléctrica en energía acústica y viceversa. El elemento activo es básicamente una pieza de material polarizado (es decir, algunas partes de la molécula tienen carga positiva, mientras que otras partes de la molécula tienen carga negativa) con electrodos unidos a dos de sus caras opuestas. Cuando se aplica un campo eléctrico a través del material, las moléculas polarizadas se alinearán con el campo eléctrico, dando como resultado dipolos inducidos dentro de la estructura molecular o cristalina del material. Esta alineación de moléculas hará que el material cambie de dimensión (ver figura 1). Este fenómeno se conoce como electroestricción. Además, un material permanentemente polarizado como el cuarzo (SiO2) o el titanato de bario (BaTiO3) producirá un campo eléctrico cuando el material cambie de tamaño como resultado de una fuerza mecánica impuesta [86].
Figura 1. Deformaciones básicas de placas piezoeléctricas. Tomado de [66]
Figura 2. Transductores piezoeléctricos.
Tomado de [41]
Figura 3. Arreglo de transductores en el collar para la tubería.
La figura 2 corresponde a los transductores utilizados en Ondas Guiadas para excitar un determinado modo de onda. Generalmente la prueba consta de un arreglo de transductores ubicados en los módulos que conforman el collar (ver figura 3), este arreglo consta de anillos longitudinales y torsionales debidamente distribuidos, para generar lo que se conoce como multimodo. El principal fabricante y pionero de esta línea de transductores en el mercado, propios de la Inspección por Ondas guiadas es Guided Ultrasonic Limited (GUL) [54].
Los materiales magnetostrictivos fueron descubiertos por James Prescott Joule en 1840 cuando notó que el hierro cambiaba de longitud en respuesta a los cambios en el magnetismo y llamó al fenómeno el Efecto Joule, este efecto también es llamado Magnetostricción y es una de las propiedades magnéticas que acompañan al ferromagnetismo [90].
Los materiales magnetoestrictivos transducen o convierten campos magnéticos variables en el tiempo en energía mecánica. A medida que se magnetiza un material magnetostrictivo, se tensa. Por el contrario, si una fuerza externa produce una tensión en un material magnetostrictivo, el estado magnético del material cambiará. Este acoplamiento bidireccional entre los estados magnético y mecánico de un material magnetoestrictivo proporciona una capacidad de transducción que se puede utilizar tanto para dispositivos de actuación como de detección [89].
Algunos de los materiales magnetostrictivos son: Cobalto, Hierro, Níquel, Aleaciones de Terbio, Metglass.
Efecto Villari: Este efecto está relacionado a la Magnetostricción, y se define como el cambio de la susceptibilidad de un material cuando se somete a una tensión mecánica, por ejemplo, si un cristal de hierro se somete a una tensión de tracción, la dirección de la tensión se convierte en la dirección magnética preferida y los dominios tenderán a alinearse en esa dirección [90].
Efecto Wiederman: Es la torsión de un material magnetostrictivo cuando se somete a un campo magnético helicoidal [90].
El transductor magnetoestrictivo genera y detecta electromagnéticamente ondas guiadas en materiales ferromagnéticos. Para la generación y detección de una onda longitudinal o Lamb, el transductor se basa en el efecto magnetoestrictivo (o Joule) y su efecto inverso (o Villari). Para la generación y detección de ondas torsionales o SH, el transductor se basa en el efecto Wiedemann (ver Figura 4). El campo magnético de polarización estática H0 se alimenta mediante un imán permanente o un electroimán. Alternativamente, puede suministrarse induciendo una magnetización residual en el material ferromagnético [90].
TRANSDUCTORES MAGNETOSTRICTIVOS
Figura 4. Orientación de campos magnéticos aplicados para la generación de torsión en un tira magnetostrictiva por efecto Wiedemann. Tomado de [90]
Figura 5. Tira Magnetostrictiva. Tomado de [90]
Figura 6. Rollos de cinta colocados sobre la tira. Tomado de [90]
Los modos de onda guiada se controlan utilizando la orientación relativa entre el campo magnético de polarización estática y el campo magnético variable en el tiempo aplicado: ∆H. Para un modo longitudinal en una tubería y modos Lamb en una placa, los dos campos deben ser paralelos entre sí. Para un modo torsional en una tubería y un modo SH en una placa, deben ser perpendiculares entre sí [90].
A continuación, en la figura 7, se presenta una tabla comparativa de las principales condiciones de operación entre los dos tipos de transductores: Piezoeléctrico y Magnetostrictivo, la cual permite al usuario escoger el que mejor se adapte a sus necesidades.
Figura 7. Comparación entre las condiciones de operación de transductores magnetoestrictivos y piezoeléctricos. Adaptado de [17]
Cabe aclarar que la Temperatura máxima de operación del transductor piezoeléctrico puede ser mayor a la indicada en la figura 7, toda vez que se verifiquen las especificaciones del fabricante. Esta limitación de operar a temperaturas mucho menores, comparadas con los transductores magnetostrictivos, se debe a una característica de temperatura, conocida como de Punto de Curie, de tal forma que si se sobrepasa, el transductor perderá su actividad piezoeléctrica [66].