Was ist ein piezoelektrischer Sensor?
Ein piezoelektrischer Sensor ist ein Gerät, das Druck oder Dehnung mithilfe von Piezoelektrizität misst. Bei diesem Phänomen können bestimmte Materialien einen elektrischen Strom erzeugen, wenn sie verformt werden. Somit kann ein piezoelektrischer Sensor die durch Kompression, Stoß, Beschleunigung oder Vibration auf ihn ausgeübte Kraft in ein elektrisches Signal umwandeln, dessen Stärke proportional zur Stärke der Kraft ist. Es gibt eine Reihe von natürlich vorkommenden Materialien, die diesen Effekt zeigen, insbesondere Quarz und Turmalin. Piezoelektrische Materialien können auch industriell synthetisiert werden. Synthetische piezoelektrische Materialien können Einkristallmaterialien sein, die natürlichen Kristallen ähnlich sind, jedoch verbesserte Eigenschaften aufweisen, wie Galliumphosphatkristalle; piezokeramische Materialien wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), die billig durch Sintern hergestellt werden können, oder Erhitzen von pulverförmigen Bestandteilen in einem Ofen; und Polymere wie Polyvinylidenfluorid (PVDF), die zu dünnen, flexiblen Filmen verarbeitet werden können.
Das von piezoelektrischen Sensoren erzeugte elektrische Signal fällt nach dem ersten Anlegen der Kraft schnell ab. Dies bedeutet, dass sie nicht zur Messung einer statischen Kraft geeignet sind; Sie eignen sich jedoch hervorragend zum Messen von Kräften von sehr kurzer Dauer, wie z. B. Aufprallkräften. Einkristall- und Piezokeramiksensoren sind sehr starr und haben eine sehr hohe Eigenfrequenz. Die Eigenfrequenz eines Sensors schränkt seine Verwendung ein, da Messfehler auftreten, wenn die Frequenz der zu messenden Schwingung nahe an der des Sensors liegt. Die hohe Eigenfrequenz eines piezoelektrischen Sensors ermöglicht es jedoch, sehr hohe Frequenzen genau zu messen. Dies bedeutet, dass ungewöhnliche Schwingungsmuster erkannt werden können, die durch Material- und Bauteilfehler verursacht werden können.
Die hohe Steifigkeit von Einkristall- und Piezokeramiksensoren führt dazu, dass sie häufig ähnliche physikalische Eigenschaften aufweisen wie die Werkstoffe wie Stahl, aus denen Werkzeuge und Maschinen hergestellt werden. Sensoren können daher als Teil ihrer Struktur in Werkzeuge und Maschinen eingebaut werden, so dass sie mit eingebauten Sensoren aufgebaut werden können. Diese Art von piezoelektrischem Sensor ist auch sehr robust, kann starke Stoßkräfte aufnehmen und bei hohen Temperaturen effektiv arbeiten und wird in vielen industriellen Anwendungen zur Messung von Druck und Materialbelastung verwendet. Sie können auch zum Messen der Beschleunigung verwendet werden - wenn ein Objekt beschleunigt, übt es eine Kraft in die entgegengesetzte Richtung aus, die von einem Sensor gemessen werden kann.
Piezoelektrische Sensoren haben eine Vielzahl anderer Anwendungen. Eine übliche Anwendung sind Mikrofone, bei denen die von Schallwellen ausgeübte Kraft in elektrische Signale umgewandelt und aufgezeichnet oder verstärkt wird. Flexible, leichte piezoelektrische Materialien wie PVDF können in Touchscreens und Touchpads verwendet werden und haben auch Anwendungen in der wissenschaftlichen Forschung. Beispielsweise können winzige Sensoren an kleinen Tieren und sogar Insekten angebracht werden, um deren Aktivität und Verhalten zu überwachen.