Wat is een piëzo-elektrische sensor?
Een piëzo-elektrische sensor is een apparaat dat druk of spanning meet met behulp van piëzo-elektriciteit, een fenomeen waarin bepaalde materialen een elektrische stroom kunnen genereren wanneer ze worden vervormd. Aldus kan een piëzo-elektrische sensor kracht die daarop wordt uitgeoefend door compressie, impact, versnelling of trilling omzetten in een elektrisch signaal waarvan de sterkte evenredig is aan de kracht van de kracht. Er zijn een aantal natuurlijk voorkomende materialen die dit effect aantonen, met name kwarts en toermalijn. Piëzo-elektrische materialen kunnen ook industrieel worden gesynthetiseerd. Synthetische piëzo-elektrische materialen kunnen eenkristalmaterialen zijn vergelijkbaar met natuurlijke kristallen maar met verbeterde eigenschappen, zoals galliumfosfaatkristallen; piëzokeramische materialen zoals loodzirkonaattitanaat (PZT), die goedkoop kunnen worden vervaardigd door sintering of poederingrediënten in een oven; en polymeren zoals polyvinylideenfluoride (PVDF) die tot dunne, flexibele films kunnen worden gemaakt.
Het elektrische signaal gegenereerd door piëzo-elektrische sensoren valt snel nadat de kracht voor het eerst is uitgeoefend. Dit betekent dat ze niet geschikt zijn voor het meten van een statische kracht; ze zijn echter uitstekend in het meten van krachten van zeer korte duur, zoals slagkrachten. Eénkristal- en piëzokeramische sensoren zijn zeer stijf en hebben een zeer hoge natuurlijke frequentie. De natuurlijke frequentie van een sensor legt beperkingen op aan het gebruik ervan, omdat meetfouten zullen optreden wanneer de frequentie van de te meten trillingen dicht bij die van de sensor ligt. Dankzij de hoge natuurlijke frequentie van een piëzo-sensor kan hij echter zeer hoge frequenties nauwkeurig meten. Dit betekent dat het kan worden gebruikt om ongebruikelijke trillingspatronen te detecteren die kunnen worden veroorzaakt door defecten in materialen en componenten.
De hoge stijfheid van eenkristal- en piëzo-keramische sensoren betekent dat ze vaak vergelijkbare fysieke eigenschappen hebben als de materialen, zoals staal, waarvan gereedschappen en machines zijn gemaakt. Sensoren kunnen daarom worden opgenomen in gereedschappen en machines als onderdeel van hun structuur, zodat ze kunnen worden gebouwd met ingebouwde sensoren. Dit type piëzo-elektrische sensor is ook zeer robuust, kan sterke impactkrachten aan en werkt effectief bij hoge temperaturen, en wordt in veel industriële toepassingen gebruikt voor het meten van druk en belasting op materialen. Ze kunnen ook worden gebruikt om versnelling te meten - wanneer een object versnelt, oefent het een kracht in de tegenovergestelde richting uit die kan worden gemeten door een sensor.
Piëzo-elektrische sensoren hebben een breed scala aan andere toepassingen. Een veel voorkomende toepassing is in microfoons, waarbij de kracht die wordt uitgeoefend door geluidsgolven wordt omgezet in elektrische signalen en wordt opgenomen of versterkt. Flexibele, lichtgewicht piëzo-elektrische materialen zoals PVDF kunnen worden gebruikt in touchscreens en touchpads en hebben ook toepassingen in wetenschappelijk onderzoek. Kleine sensoren kunnen bijvoorbeeld worden bevestigd aan kleine dieren en zelfs insecten om hun activiteit en gedrag te volgen.