Co to jest czujnik piezoelektryczny?

Czujnik piezoelektryczny to urządzenie, które mierzy ciśnienie lub naprężenie za pomocą piezoelektryczności — zjawiska, w którym niektóre materiały mogą generować prąd elektryczny podczas deformacji. W ten sposób czujnik piezoelektryczny może przetwarzać siłę wywieraną na niego przez ściskanie, uderzenie, przyspieszenie lub wibrację na 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 syntetyzować przemysłowo. Syntetyczne materiały piezoelektryczne mogą być materiałami monokrystalicznymi podobnymi do kryształów naturalnych, ale o ulepszonych właściwościach, takimi jak kryształy fosforanu galu; materiały piezoceramiczne, takie jak tytanian cyrkonianu ołowiu (PZT), które można tanio wytwarzać przez spiekanie lub podgrzewanie sproszkowanych składników w piecu; oraz polimery, takie jak polifluorek winylidenu (PVDF), z których można wytwarzać 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; jednak doskonale nadają się do pomiaru sił o bardzo krótkim czasie trwania, takich jak siły uderzenia. Czujniki monokrystaliczne i piezoceramiczne są bardzo sztywne i charakteryzują się bardzo wysoką częstotliwością własną. Naturalna częstotliwość czujnika nakłada ograniczenia na jego zastosowanie, ponieważ błędy pomiaru wystąpią, gdy częstotliwość mierzonych drgań jest zbliżona do częstotliwości czujnika. Wysoka częstotliwość własna czujnika piezoelektrycznego pozwala jednak na dokładny pomiar bardzo wysokich częstotliwości. Oznacza to, że można go używać do wykrywania nietypowych wzorców drgań, 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 zatem być wbudowane w narzędzia i maszyny jako część ich struktury, dzięki czemu mogą być konstruowane z wbudowanymi czujnikami. Ten typ czujnika piezoelektrycznego jest również bardzo wytrzymały, jest w stanie wytrzymać silne siły uderzenia i działa skutecznie w wysokich temperaturach, i jest używany w wielu zastosowaniach przemysłowych do pomiaru ciśnienia i naprężeń na materiałach. Mogą być również używane do pomiaru przyspieszenia — gdy obiekt przyspiesza, wywiera siłę w przeciwnym kierunku, którą można zmierzyć czujnikiem.

Czujniki piezoelektryczne mają wiele 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 znajdują zastosowanie w badaniach naukowych. Na przykład małe zwierzęta, a nawet owady można przymocować do małych czujników, aby monitorować ich aktywność i zachowanie.