Hva er en piezoelektrisk sensor?

En piezoelektrisk sensor er en enhet som måler trykk eller belastning ved bruk av piezoelektrisitet, et fenomen der visse materialer kan generere en elektrisk strøm når deformeres. Således kan en piezoelektrisk sensor konvertere kraft som utøves på den ved kompresjon, slag, akselerasjon eller vibrasjon til et elektrisk signal hvis styrke er proporsjonal med styrken til kraften. Det er en rekke naturlig forekommende materialer som demonstrerer denne effekten, spesielt kvarts og turmalin. Piezoelektriske materialer kan også syntetiseres industrielt. Syntetiske piezoelektriske materialer kan være enkeltkrystallmaterialer som ligner naturlige krystaller, men med forbedrede egenskaper, slik som galliumfosfatkrystaller; piezoceramic materialer som bly zirkonat titanat (PZT), som kan fremstilles billig ved sintring eller oppvarming av pulveriserte ingredienser i en ovn; og polymerer som polyvinylidenfluorid (PVDF) som kan lages til tynne, fleksible filmer.

Det elektriske signalet som genereres av piezoelektriske sensorer faller raskt etter at kraften først er påført. Dette betyr at de er uegnet til å måle en statisk kraft; de er imidlertid gode til å måle krefter av veldig kort varighet, for eksempel slagkrafter. Enkeltkrystall- og piezoseramiske sensorer er veldig stive og har en veldig høy naturlig frekvens. Den naturlige frekvensen til en sensor legger begrensninger i bruken, da målefeil vil oppstå når frekvensen av vibrasjonen som skal måles er i nærheten av sensoren. En piezoelektrisk sensors høye naturlige frekvens lar den imidlertid måle veldig høye frekvenser nøyaktig. Dette betyr at den kan brukes til å oppdage uvanlige vibrasjonsmønstre som kan være forårsaket av defekter i materialer og komponenter.

Den høye stivheten til enkeltkrystall- og piezoseramiske sensorer betyr at de ofte har lignende fysiske egenskaper som materialene, for eksempel stål, som verktøy og maskiner er laget av. Sensorer kan derfor integreres i verktøy og maskiner som en del av deres struktur, slik at de kan konstrueres med innebygde sensorer. Denne typen piezoelektrisk sensor er også veldig robust, og er i stand til å håndtere sterke slagkrafter og fungere effektivt ved høye temperaturer, og brukes i mange industrielle applikasjoner for måling av trykk og belastning på materialer. De kan også brukes til å måle akselerasjon - når en gjenstand akselererer, utøver den en kraft i motsatt retning som kan måles av en sensor.

Piezoelektriske sensorer har et bredt spekter av andre bruksområder. En vanlig applikasjon er i mikrofoner, der kraften som utøves av lydbølger blir konvertert til elektriske signaler og spilt inn eller forsterket. Fleksible, lette piezoelektriske materialer som PVDF kan brukes i berøringsskjermer og berøringsputer, og har også anvendelser innen vitenskapelig forskning. For eksempel kan små sensorer festes til små dyr og til og med insekter for å overvåke deres aktivitet og oppførsel.