Czujniki piezoelektryczne – rodzaje

Kategoria: Blog

czujniki piezoelektryczne

Dokładny pomiar wielkości fizycznych jest kluczowy dla działania wielu systemów automatyki przemysłowej. Dzięki danym o zmianach ważnych z punktu widzenia realizowanego procesu można zarówno monitorować stan urządzeń, jak i kontrolować wykonywanie konkretnych zadań. Stosowane współcześnie czujniki dają możliwość precyzyjnego określania wielu parametrów związanych z m.in. położeniem, odległością, kątem, działającymi siłami, generowanym momentem, ciśnieniem, temperaturą czy powstającymi wibracjami. Bardzo różnorodne są także metody, jakimi mierzy się zachodzące zmiany.

W zależności od rodzaju kontrolowanej cechy mogą one wykorzystywać np. efekty pojemnościowe, indukcyjne, optyczne czy ultradźwiękowe. Bardzo popularną kategorią czujników są czujniki piezoelektryczne, które charakteryzują się stosunkowo prostą budową i niezawodnością pomiaru oraz niewielkimi kosztami w stosunku do korzyści płynących z ich używania. Zobaczmy, jak działają czujniki piezoelektryczne i gdzie możemy je zastosować.

Zasada działania czujnika piezoelektrycznego

Każdy czujnik służący do pomiaru różnych wielkości fizycznych, który ma być zastosowany w urządzeniu pomiarowym czy układzie automatyki przemysłowej musi dostarczać dane, które będą mogły być odpowiednio zinterpretowane przez system, którego jest elementem. Konieczna jest więc zamiana konkretnej wielkości fizycznej, np. ciśnienia lub działającej siły na sygnał o właściwej charakterystyce – najczęściej odpowiednie napięcie elektryczne albo wartość oporu. Zachowując wymaganą dokładność, rozdzielczość, czułość i powtarzalność czujnik musi generować sygnał, którego specyfika będzie proporcjonalna do wielkości mierzonego zjawiska.

Czujniki piezoelektryczne wykorzystują odkryty jeszcze w XIX wieku efekt piezoelektryczny, polegający na zmianach zachodzących w ładunku elektrycznym znajdującym się na powierzchni kryształu kwarcu pod wpływem działania na niego siły. Gdy do kryształu przyłożona jest siła, na jego powierzchni generowane jest napięcie, którego wzrost będzie wprost proporcjonalny do wielkości działającej siły. Jednocześnie zjawisko zachodzi także w przeciwną stronę, tj. pole elektryczne sprawia, że kryształ zmienia swój kształt.

Używany pierwotnie kwarc ma tę zaletę, że jest naturalnym piezoelektrykiem, co oznacza, że jego właściwości nie ulegają zmianie, a dzięki swej stabilności gwarantuje dobrą powtarzalność pomiarów. Innymi piezoelektrykami są materiały ceramiczne wytwarzane przez oddziaływanie silnego pola elektromagnetycznego, a także niektóre tworzywa sztuczne. Choć nie są one w stanie znosić tak dużych obciążeń, jak kwarc, to zachowują swoje właściwości w znacznie wyższych temperaturach, a ponadto uzyskując wysoką czułość pojemnościową, zapewniają wyższy poziom sygnału.

Zastosowania czujników piezoelektrycznych

W zależności od tego, w jaki sposób wycięto z kryształu kwarcu przetwornik, może on być bardziej czuły na siłę ścinającą albo ściskającą. Czułość na ściskanie może być wykorzystana z powodzeniem np. w czujnikach ciśnienia, a ścinanie jest przydatne np. w akcelerometrach. Wśród wielu zastosowań czujniki piezoelektryczne szczególnie chętnie wykorzystuje się do pomiaru ciśnienia i wibracji. W technologii piezoelektrycznej wykonuje się także m.in. sensory przyspieszenia, czujniki spalania stukowego i czujniki prędkości kątowej.

Piezoelektryczne czujniki ciśnienia są bardzo precyzyjne, ponieważ są w stanie bezpośrednio odbierać działającą siłę. Można je stosować w bardzo szerokim zakresie pomiarów, a ich czułość obejmuje zakres około 120 dB. Ze względu na swój mechanizm działania są one w stanie rejestrować zmiany zachodzące w bardzo szybkim tempie, urządzenia tego typu mogą wychwytywać skoki ciśnienia zachodzące z częstotliwością do 100 kHz. Czujniki piezoelektryczne znajdują zastosowanie w przemyśle, a także podczas badań akustycznych, od rozmaitych eksplozji po rozchodzenie się dźwięków w pobliżu różnych obiektów.

Pomiar drgań i wibracji za pomocą akcelerometrów piezoelektrycznych zapewnia uzyskanie wysokiej rozdzielczości, co oznacza, że są one w stanie wykrywać bardzo niewielkie siły działające na urządzenie. Do budowy czujników drgań wykorzystujących zjawisko piezoelektryczne wykorzystuje się zarówno tradycyjny kwarc, jak i materiały wytworzone na bazie tworzyw sztucznych czy ceramiki, choćby cyrkoniano-tytanianu ołowiu (PZT), w zależności od specyfiki mierzonych drgań. Akcelerometry piezoelektryczne są używane zarówno w zastosowaniach przemysłowych, m.in. przy sprawdzaniu stopnia zużycia elementów maszyn i urządzeń czy ich stabilności, jak i przy prowadzeniu badań naukowych np. przy śledzeniu ruchów sejsmicznych lub badaniu różnych materiałów.