Piezosnímač: princip funkce a praktické využití

by Jessie Wong / Pátek, 21 dubna 2023 / Published in Ultrasonic Technology

Piezoelektrický senzor je fascinující zařízení, které převádí mechanickou energii na energii elektrickou a naopak. Jeho princip fungování je založen na piezoelektrickém efektu, unikátní vlastnosti některých krystalických materiálů. Tento článek se podrobněji zaměří na principy fungování piezo senzorů, jejich typy a aplikace.

Piezoelektrický efekt: Základní princip

Piezoelektrický efekt popisuje schopnost některých materiálů, jako je křemen, keramika (např. PZT – zirkonát-titanan olovnatý) a některé polymery, generovat elektrické napětí v reakci na mechanické namáhání (tlak, tah, vibrace). Tento efekt je vratný, což znamená, že aplikované elektrické pole může způsobit deformaci materiálu. Na atomové úrovni je tento efekt způsoben asymetrickým uspořádáním iontů v krystalové mřížce. Mechanické namáhání narušuje tuto rovnováhu a vede k akumulaci náboje na povrchu materiálu.

Typy piezo senzorů

Existuje několik typů piezo senzorů, které se liší podle tvaru, materiálu a způsobu měření. Nejběžnější jsou:

Typ senzoru	Materiál	Princip měření	Aplikace
Kompresní	Keramika (PZT)	Měření tlaku	Tlakové senzory, měření síly
Shear	Křemen, keramika	Měření smykového napětí	Měření vibrací, akcelerace
Flexibilní	Polymery	Měření ohybu	Měření tlaku, vibrace, deformace
Akcelerační	Keramika (PZT)	Měření zrychlení	Automobilový průmysl, bezpečnostní systémy

Konstrukce a funkce piezo senzoru

Typický piezo senzor se skládá z piezoelektrického prvku, který je obklopen vodivými elektrodami. Mechanické namáhání způsobuje generování elektrického náboje na elektrodách. Velikost generovaného náboje je přímo úměrná velikosti mechanického namáhání. Tento náboj je poté měřen pomocí obvodu s vysokou impedancí, který minimalizuje ztráty náboje. Měřený náboj se následně převádí na elektrický signál, který je úměrný mechanickému vlivu. Důležité je zmínit, že piezo senzory jsou obecně citlivé na frekvenci a amplitudy mechanického namáhání.

Aplikace piezo senzorů

Piezo senzory nacházejí široké uplatnění v mnoha oborech:

Měření tlaku: V pneumatikách, hydraulických systémech, lékařských zařízeních.
Měření síly: V průmyslových procesech, váhách, senzorů síly v robotice.
Měření vibrací: V monitoringu strojů, detekci zvuků, automobilovém průmyslu.
Akcelerace: V airbagových systémech, elektronických stabilizačních systémech.
Generování vysokého napětí: V zařízeních pro zapalování, piezoelektrických zapalovačích.

Omezení piezo senzorů

Přestože jsou piezo senzory velmi užitečné, mají i svá omezení:

Citlivost na teplotu: Charakteristiky senzoru se mohou měnit s teplotou.
Omezená životnost: Při vysokém namáhání může dojít k degradaci piezoelektrického materiálu.
Hystereze: Vztah mezi mechanickým namáháním a generovaným nábojem nemusí být vždy lineární.
Potřeba zesílení signálu: Generovaný signál je často slabý a vyžaduje zesílení.

Piezoelektrické senzory představují důležitou součást moderní senzorové technologie. Díky své jednoduché konstrukci, vysoké citlivosti a široké škále aplikací se stávají stále populárnějšími v mnoha průmyslových odvětvích a vědeckých experimentech. Pochopení jejich principu fungování a omezení je klíčové pro jejich efektivní využití.