Co je to piezoelektrický senzor?

Piezoelektrický senzor je zařízení, které měří tlak nebo napětí pomocí piezoelektriky, což je jev, ve kterém určité materiály mohou při deformaci generovat elektrický proud. Piezoelektrický senzor tak může převést sílu vyvíjenou na něj stlačením, nárazem, zrychlením nebo vibracemi na elektrický signál, jehož síla je úměrná síle síly. Tento účinek demonstruje řada přirozeně se vyskytujících materiálů, zejména křemen a turmalín. Piezoelektrické materiály lze také syntetizovat průmyslově. Syntetické piezoelektrické materiály mohou být monokrystalové materiály podobné přírodním krystalům, ale se zlepšenými vlastnostmi, jako jsou krystaly fosforečnanu gallitého; piezokeramické materiály, jako je titaničitan olovnatý zirkoničitý (PZT), který lze vyrobit levně slinováním nebo zahříváním práškových ingrediencí v peci; a polymery, jako je polyvinylidenfluorid (PVDF), které lze vyrobit na tenké, flexibilní fólie.

Elektrický signál generovaný piezoelektrickými senzory rychle klesá po prvním působení síly. To znamená, že nejsou vhodné pro měření statické síly; jsou však vynikající při měření sil velmi krátkého trvání, jako jsou nárazové síly. Monokrystalové a piezokeramické senzory jsou velmi tuhé a mají velmi vysokou přirozenou frekvenci. Přirozená frekvence senzoru způsobuje omezení jeho použití, protože k chybám měření dojde, když je frekvence vibrací, které mají být měřeny, blízká frekvenci senzoru. Vysoká přirozená frekvence piezoelektrického senzoru mu však umožňuje přesně měřit velmi vysoké frekvence. To znamená, že může být použit k detekci neobvyklých vibračních vzorců, které by mohly být způsobeny vadami materiálů a součástí.

Vysoká tuhost monokrystalických a piezokeramických senzorů znamená, že často mají podobné fyzikální vlastnosti jako materiály, jako je ocel, z níž jsou vyrobeny nástroje a stroje. Senzory mohou být proto začleněny do nástrojů a strojů jako součást jejich struktury, takže mohou být konstruovány s vestavěnými senzory. Tento typ piezoelektrického senzoru je také velmi robustní, je schopen zvládat silné rázové síly a efektivně pracovat při vysokých teplotách a používá se v mnoha průmyslových aplikacích pro měření tlaku a namáhání materiálů. Lze je také použít k měření zrychlení - když objekt zrychluje, vyvíjí sílu v opačném směru, kterou lze měřit senzorem.

Piezoelektrické senzory mají celou řadu dalších aplikací. Jedna běžná aplikace je v mikrofonech, kde síla, kterou působí zvukové vlny, se převádí na elektrické signály a zaznamenává nebo zesiluje. Flexibilní, lehké piezoelektrické materiály, jako je PVDF, lze použít na dotykových obrazovkách a dotykových podložkách a mají také uplatnění ve vědeckém výzkumu. Například malé senzory mohou být připojeny k malým zvířatům a dokonce hmyzům, aby sledovaly jejich aktivitu a chování.