Vad är en piezoelektrisk sensor?

En piezoelektrisk sensor är en anordning som mäter tryck eller belastning med hjälp av piezoelektricitet, ett fenomen där vissa material kan generera en elektrisk ström när deformeras. Således kan en piezoelektrisk sensor omvandla kraft som utövas på den genom kompression, anslag, acceleration eller vibration till en elektrisk signal vars styrka är proportionell mot kraften. Det finns ett antal naturligt förekommande material som visar denna effekt, framför allt kvarts och turmalin. Piezoelektriska material kan också syntetiseras industriellt. Syntetiska piezoelektriska material kan vara enkristallmaterial som liknar naturliga kristaller men med förbättrade egenskaper, såsom galliumfosfatkristaller; piezoceramiska material såsom blyzirkonat-titanat (PZT), som kan tillverkas billigt genom sintring eller värmning av pulveriserade ingredienser i en ugn; och polymerer såsom polyvinylidenfluorid (PVDF) som kan göras till tunna, flexibla filmer.

Den elektriska signalen som genereras av piezoelektriska sensorer faller snabbt efter att kraften först applicerats. Detta betyder att de är olämpliga för att mäta en statisk kraft; de är emellertid utmärkta för att mäta krafter med mycket kort varaktighet, såsom slagkrafter. Enkristall- och piezoceramiska sensorer är mycket styva och har en mycket hög naturlig frekvens. En sensors naturliga frekvens sätter begränsningar för dess användning, eftersom mätfel kommer att inträffa när frekvensen för vibrationen som ska mätas är nära sensorns. En piezoelektrisk sensors höga naturliga frekvens gör att den dock kan mäta mycket höga frekvenser exakt. Detta innebär att det kan användas för att upptäcka ovanliga vibrationsmönster som kan orsakas av defekter i material och komponenter.

Den höga styvheten hos enkelkristall- och piezoceramiska sensorer gör att de ofta har liknande fysiska egenskaper som materialen, såsom stål, från vilka verktyg och maskiner tillverkas. Sensorer kan därför integreras i verktyg och maskiner som en del av deras struktur, så att de kan konstrueras med inbyggda sensorer. Denna typ av piezoelektrisk sensor är också mycket robust och kan hantera starka slagkrafter och arbeta effektivt vid höga temperaturer och används i många industriella applikationer för att mäta tryck och belastning på material. De kan också användas för att mäta acceleration - när ett objekt accelererar utövar det en kraft i motsatt riktning som kan mätas av en sensor.

Piezoelektriska sensorer har ett brett utbud av andra applikationer. En vanlig applikation är i mikrofoner, där kraften som utövas av ljudvågor konverteras till elektriska signaler och inspelas eller förstärks. Flexibla, lätta piezoelektriska material som PVDF kan användas i pekskärmar och pekskydd och har också tillämpningar inom vetenskaplig forskning. Till exempel kan små sensorer fästas på små djur och till och med insekter för att övervaka deras aktivitet och beteende.