Co to jest czujnik piezoelektryczny?

Czujnik piezoelektryczny jest urządzeniem, które mierzy ciśnienie lub odkształcenie za pomocą piezoelektryczności, zjawiska, w którym niektóre materiały mogą generować prąd elektryczny po odkształceniu. Zatem czujnik piezoelektryczny może przekształcić siłę wywieraną na niego przez ściskanie, uderzenie, przyspieszenie lub wibrację w sygnał elektryczny, którego siła jest proporcjonalna do siły siły. Istnieje wiele naturalnie występujących materiałów, które wykazują ten efekt, w szczególności kwarc i turmalin. Materiały piezoelektryczne można również syntezować przemysłowo. Syntetyczne materiały piezoelektryczne mogą być materiałami monokrystalicznymi podobnymi do naturalnych kryształów, ale o ulepszonych właściwościach, takimi jak kryształy fosforanu galu; materiały piezoceramiczne, takie jak tytanian cyrkonianu ołowiu (PZT), które można tanio wytwarzać przez spiekanie lub ogrzewanie sproszkowanych składników w piecu; oraz polimery, takie jak fluorek poliwinylidenu (PVDF), które można przekształcić w cienkie, elastyczne folie.

Sygnał elektryczny generowany przez czujniki piezoelektryczne gwałtownie spada po pierwszym przyłożeniu siły. Oznacza to, że nie nadają się do pomiaru siły statycznej; są jednak doskonałe do pomiaru sił o bardzo krótkim czasie trwania, takich jak siły uderzenia. Czujniki monokrystaliczne i piezoceramiczne są bardzo sztywne i mają bardzo wysoką częstotliwość naturalną. Częstotliwość naturalna czujnika nakłada ograniczenia na jego wykorzystanie, ponieważ błędy pomiarowe pojawią się, gdy częstotliwość mierzonych wibracji jest zbliżona do częstotliwości czujnika. Wysoka częstotliwość naturalna czujnika piezoelektrycznego pozwala jednak na dokładny pomiar bardzo wysokich częstotliwości. Oznacza to, że można go używać do wykrywania nietypowych wzorów wibracji, które mogą być spowodowane wadami materiałów i komponentów.

Wysoka sztywność czujników monokrystalicznych i piezoceramicznych oznacza, że ​​często mają one podobne właściwości fizyczne do materiałów, takich jak stal, z których wykonane są narzędzia i maszyny. Czujniki mogą być zatem wbudowane w narzędzia i maszyny jako część ich konstrukcji, dzięki czemu można je zbudować za pomocą wbudowanych czujników. Ten rodzaj czujnika piezoelektrycznego jest również bardzo solidny, zdolny do przenoszenia dużych sił uderzenia i efektywnego działania w wysokich temperaturach, i jest wykorzystywany w wielu aplikacjach przemysłowych do pomiaru ciśnienia i obciążenia materiałów. Można ich również użyć do pomiaru przyspieszenia - gdy obiekt przyspiesza, wywiera siłę w przeciwnym kierunku, którą można zmierzyć za pomocą czujnika.

Czujniki piezoelektryczne mają szeroki zakres innych zastosowań. Jednym z powszechnych zastosowań są mikrofony, w których siła wywierana przez fale dźwiękowe jest przekształcana na sygnały elektryczne i rejestrowana lub wzmacniana. Elastyczne, lekkie materiały piezoelektryczne, takie jak PVDF, mogą być stosowane w ekranach dotykowych i panelach dotykowych, a także mają zastosowanie w badaniach naukowych. Na przykład małe czujniki można podłączyć do małych zwierząt, a nawet owadów, aby monitorować ich aktywność i zachowanie.