Hvad er en piezoelektrisk sensor?
En piezoelektrisk sensor er en enhed, der måler tryk eller belastning ved hjælp af piezoelektricitet, et fænomen, hvor visse materialer kan generere en elektrisk strøm, når deformeres. Således kan en piezoelektrisk sensor konvertere kraft, der udøves på den ved kompression, slag, acceleration eller vibration, til et elektrisk signal, hvis styrke er proportional med styrken af kraften. Der er en række naturligt forekommende materialer, der demonstrerer denne virkning, navnlig kvarts og tourmalin. Piezoelektriske materialer kan også syntetiseres industrielt. Syntetiske piezoelektriske materialer kan være enkeltkrystallmaterialer, der ligner naturlige krystaller, men med forbedrede egenskaber, såsom galliumphosphatkrystaller; piezoceramiske materialer, såsom blyzirkonat titanat (PZT), som kan fremstilles billigt ved sintring eller opvarmning af pulveriserede ingredienser i en ovn; og polymerer, såsom polyvinylidenfluorid (PVDF), der kan fremstilles til tynde, fleksible film.
Det elektriske signal, der genereres af piezoelektriske sensorer falder hurtigt, efter at kraften først er påført. Dette betyder, at de ikke er egnede til at måle en statisk kraft; de er dog fremragende til at måle kræfter af meget kort varighed, såsom slagkrafter. Enkeltkrystaller og piezoceramiske sensorer er meget stive og har en meget høj naturlig frekvens. En sensors naturlige frekvens pålægger begrænsninger for dens anvendelser, da målefejl vil forekomme, når frekvensen af den vibration, der skal måles, er tæt på sensoren. En piezoelektrisk sensors høje naturlige frekvens tillader den imidlertid nøjagtigt at måle meget høje frekvenser. Dette betyder, at det kan bruges til at detektere usædvanlige vibrationsmønstre, der kan være forårsaget af defekter i materialer og komponenter.
Den høje stivhed af enkeltkrystall- og piezoceramiske sensorer betyder, at de ofte har lignende fysiske egenskaber som materialerne, såsom stål, hvorfra værktøjer og maskiner fremstilles. Sensorer kan derfor integreres i værktøjer og maskiner som en del af deres struktur, så de kan konstrueres med indbyggede sensorer. Denne type piezoelektrisk sensor er også meget robust og er i stand til at håndtere stærke slagkrafter og arbejde effektivt ved høje temperaturer og bruges i mange industrielle applikationer til måling af tryk og belastning på materialer. De kan også bruges til at måle acceleration - når en genstand accelererer, udøver den en kraft i den modsatte retning, der kan måles af en sensor.
Piezoelektriske sensorer har en lang række andre anvendelser. En almindelig anvendelse er i mikrofoner, hvor den kraft, der udøves af lydbølger, konverteres til elektriske signaler og optages eller forstærkes. Fleksible, lette piezoelektriske materialer, såsom PVDF, kan bruges i berøringsskærme og berøringspuder og har også anvendelser inden for videnskabelig forskning. For eksempel kan små sensorer fastgøres til små dyr og endda insekter for at overvåge deres aktivitet og opførsel.