Che cos'è un sensore piezoelettrico?
Un sensore piezoelettrico è un dispositivo che misura la pressione o la deformazione usando la piezoelettricità, un fenomeno in cui determinati materiali possono generare una corrente elettrica quando deformati. Pertanto un sensore piezoelettrico può convertire la forza esercitata su di esso mediante compressione, impatto, accelerazione o vibrazione in un segnale elettrico la cui forza è proporzionale alla forza della forza. Esistono numerosi materiali naturali che dimostrano questo effetto, in particolare quarzo e tormalina. I materiali piezoelettrici possono anche essere sintetizzati industrialmente. I materiali piezoelettrici sintetici possono essere materiali a cristallo singolo simili ai cristalli naturali ma con proprietà migliorate, come i cristalli di fosfato di gallio; materiali piezoceramici come titanato di zirconato di piombo (PZT), che possono essere prodotti a basso costo mediante sinterizzazione o riscaldamento di ingredienti in polvere in una fornace; e polimeri come il polivinilidene fluoruro (PVDF) che possono essere trasformati in pellicole sottili e flessibili.
Il segnale elettrico generato dai sensori piezoelettrici cade rapidamente dopo la prima applicazione della forza. Ciò significa che non sono adatti per misurare una forza statica; tuttavia, sono eccellenti nel misurare forze di durata molto breve, come le forze di impatto. I sensori a cristallo singolo e piezoceramici sono molto rigidi e hanno una frequenza naturale molto elevata. La frequenza naturale di un sensore impone limiti ai suoi usi, poiché si verificheranno errori di misurazione quando la frequenza della vibrazione da misurare è vicina a quella del sensore. L'elevata frequenza naturale di un sensore piezoelettrico consente tuttavia di misurare accuratamente frequenze molto elevate. Ciò significa che può essere utilizzato per rilevare insoliti schemi di vibrazione che potrebbero essere causati da difetti nei materiali e nei componenti.
L'elevata rigidità dei sensori monocristallini e piezoceramici significa che spesso hanno proprietà fisiche simili ai materiali, come l'acciaio, da cui sono realizzati strumenti e macchine. I sensori possono quindi essere incorporati in strumenti e macchinari come parte della loro struttura, in modo che possano essere costruiti con sensori integrati. Questo tipo di sensore piezoelettrico è anche molto robusto, in grado di gestire forti forze di impatto e funzionare efficacemente a temperature elevate, ed è utilizzato in molte applicazioni industriali per misurare la pressione e la deformazione dei materiali. Possono anche essere usati per misurare l'accelerazione - quando un oggetto accelera esercita una forza nella direzione opposta che può essere misurata da un sensore.
I sensori piezoelettrici hanno una vasta gamma di altre applicazioni. Un'applicazione comune è nei microfoni, dove la forza esercitata dalle onde sonore viene convertita in segnali elettrici e registrata o amplificata. Materiali piezoelettrici flessibili e leggeri come il PVDF possono essere utilizzati nei touch screen e nei touch pad e possono anche essere utilizzati nella ricerca scientifica. Ad esempio, piccoli sensori possono essere collegati a piccoli animali e persino a insetti per monitorare la loro attività e comportamento.