Czym jest czujnik piezoelektryczny?

Czujniki piezoelektryczne są wykorzystywane w układach zmiany i pomiaru sił, prędkości, drgań i ciśnienia. Te niewielkie przetworniki wykorzystują zjawisko piezoelektryczne, które polega na tym, iż na powierzchni kryształu pod wpływem naprężeń mechanicznych powstają ładunki elektryczne. Ładunek, który powstaje, jest proporcjonalny do odkształcenia. Piezoelektrykami są monokryształy (np. kwarc) oraz polikryształy. Czujniki piezoelektryczne pełnią szczególnie ważną funkcję w przemyśle, gdzie umożliwiają kontrolowanie jakości produkcji oraz sprawdzanie stanu technicznego urządzeń.

Zasada działania czujników piezoelektrycznych

Czujniki piezoelektryczne, których bogatą ofertę przygotowała dla swoich klientów np. firma EC Test Systems, to przetworniki o stosunkowo prostej konstrukcji. W większości przypadków czujnik tego typu składa się z płaskiego kryształu kwarcu, spieku ceramicznego albo innego piezoelektryka, który jest umieszczony pomiędzy dwoma okładzinami z metalu. Ważnym elementem takiego czujnika jest również wbudowana w niego mikroelektronika. Wszystko jest zamknięte w obudowie, która chroni przetwornik przed niekorzystnym działaniem czynników zewnętrznych.

Sposób działania tych niewielkich przetworników opiera się na efekcie piezoelektrycznym, który został po raz pierwszy opisany już w XIX wieku przez Pierre’a i Jacques’a Curie. Odkryli oni wówczas, iż pod wpływem działania siły na kryształ kwarcu, zachodzą zmiany w ładunku elektrycznym na jego powierzchni. Z tego powodu, gdy do kryształu przykłada się siłę, na jego powierzchni powstaje napięcie wprost proporcjonalne do wielkości użytej siły. Jeżeli więc z materiałów piezoelektrycznych wycięta zostanie płytka i będzie ona ściskana lub rozciągana, to na jej powierzchni pojawią się ładunki elektryczne. Istnieje również odwrotny efekt piezoelektryczny, który polega na tym, iż płytka z materiału piezoelektrycznego zmienia swój kształt pod wpływem przyłożonego doń pola elektrycznego.

Na początku do budowy takich czujników wykorzystywano tylko kwarc, który jest naturalnym piezoelektrykiem, dzisiaj coraz częściej stosuje się w tym celu materiały ceramiczne, a nawet niektóre tworzywa sztuczne. Ich wielką zaletą jest fakt, iż zachowują one swoje właściwości nawet w ekstremalnie wysokiej temperaturze, a także zapewniają wyższy poziom sygnału, gdyż uzyskują wysoką czułość pojemnościową.

Rodzaje i zastosowanie czujników piezoelektrycznych

Przetworniki piezoelektryczne są wykorzystywane do pomiaru ciśnienia, drgań i wibracji. Czujniki piezoelektryczne dzieli się na te, które są bardziej czułe na siłę ściskającą oraz te bardziej wrażliwe na siłę ścinającą. Przetworniki czułe na ściskanie są stosowane np. w czujnikach ciśnienia. Czujniki wrażliwe na ścinanie znajdują zastosowanie m.in. w akcelerometrach.

Czujniki piezoelektryczne doskonale nadają się do wykonywania pomiarów drgań, gdyż wykrywają one nawet minimalne siły, które działają na dane urządzenie. Znajdują zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, gdzie pomagają kontrolować stopień zużycia poszczególnych podzespołów i części maszyn oraz sprawdzać, czy są one stabilne. Umożliwiają przeprowadzanie skutecznej diagnostyki maszyn, dzięki której można odpowiednio wcześnie wykryć wszelkie nieprawidłowości w ich działaniu i podjąć stosowne kroki, zapobiegając w ten sposób poważniejszym awariom. Ciekawym przykładem zastosowaniem tych czujników są badania naukowe, w których często pełnią one funkcję czujek wykrywających ruchy sejsmiczne. Przetworniki stosowane do pomiarów wibracji mogą być zbudowane z kwarcu, ceramiki albo tworzyw sztucznych.

Czujniki piezoelektryczne służące do pomiaru ciśnienia precyzyjnie rejestrują zmiany, które zachodzą w błyskawicznym tempie. Wykrywają skoki ciśnienia zachodzące nawet z częstotliwością do 100 kHz. Z tego powodu są one wykorzystywane zarówno w przemyśle, jak i w badaniach akustycznych.