Пьезоэлектрический датчик – это устройство, измеряющее давление или деформацию с помощью пьезоэлектричества, явления, при котором определенные материалы могут генерировать электрический ток. ток при деформации. Таким образом, пьезоэлектрический датчик может преобразовывать силу, действующую на него при сжатии, ударе, ускорении или вибрации, в электрический сигнал, сила которого пропорциональна силе силы. Существует ряд природных материалов, которые демонстрируют этот эффект, в первую очередь кварц и турмалин. Пьезоэлектрические материалы также могут быть синтезированы в промышленных масштабах. Синтетические пьезоэлектрические материалы могут быть монокристаллическими материалами, подобными природным кристаллам, но с улучшенными свойствами, такими как кристаллы фосфата галлия; пьезокерамические материалы, такие как цирконат-титанат свинца (PZT), которые можно дешево производить путем спекания или нагревания порошкообразных ингредиентов в печи; и полимеры, такие как поливинилиденфторид (ПВДФ), из которых можно сделать тонкие гибкие пленки.
Электрический сигнал, генерируемый пьезоэлектрическими датчиками, быстро падает после первого приложения силы. Это означает, что они непригодны для измерения статической силы; однако они отлично подходят для измерения очень кратковременных сил, таких как силы удара. Монокристаллические и пьезокерамические датчики очень жесткие и имеют очень высокую собственную частоту. Собственная частота датчика накладывает ограничения на его использование, поскольку ошибки измерения возникают, когда частота измеряемой вибрации близка к частоте датчика. Однако высокая собственная частота пьезоэлектрического датчика позволяет точно измерять очень высокие частоты. Это означает, что его можно использовать для обнаружения необычных моделей вибрации, которые могут быть вызваны дефектами материалов и компонентов.
Высокая жесткость монокристаллических и пьезокерамических датчиков означает, что они часто имеют физические свойства, аналогичные материалам, таким как сталь, из которых изготавливаются инструменты и машины. Таким образом, датчики могут быть встроены в инструменты и механизмы как часть их конструкции, так что они могут быть сконструированы со встроенными датчиками. Этот тип пьезоэлектрического датчика также очень прочен, способен выдерживать сильные ударные нагрузки и эффективно работать при высоких температурах, и используется во многих промышленных приложениях для измерения давления и деформации материалов. Их также можно использовать для измерения ускорения — когда объект ускоряется, он прилагает силу в противоположном направлении, которую можно измерить датчиком.
Пьезоэлектрические датчики имеют широкий спектр других применений. Одним из распространенных применений являются микрофоны, где сила, создаваемая звуковыми волнами, преобразуется в электрические сигналы и записывается или усиливается. Гибкие и легкие пьезоэлектрические материалы, такие как PVDF, можно использовать в сенсорных экранах и сенсорных панелях, а также находить применение в научных исследованиях. Например, к маленьким животным и даже к насекомым можно прикрепить крошечные датчики, чтобы следить за их активностью и поведением.