Piezoelektrické tlakové senzory: princip funkce

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

Piezoelektrické tlakové senzory jsou důležitou součástí mnoha moderních aplikací, od automobilového průmyslu až po lékařství. Fungují na principu piezoelektrického jevu, který popisuje vznik elektrického náboje v krystalické struktuře materiálu v důsledku mechanického namáhání, v tomto případě tlaku. Tento článek podrobně popisuje princip fungování těchto senzorů.

Piezoelektrický jev: Základní princip

Piezoelektrický jev je založen na vlastnostech některých krystalických materiálů, jako je křemen, keramika (např. PZT – zirkonát-titanát olovnatý) a některé polymery, které generují elektrické napětí při mechanickém namáhání. Toto napětí je přímo úměrné velikosti aplikovaného tlaku. Když je na piezoelektrický materiál aplikován tlak, dochází k deformaci jeho krystalové mřížky, což vede k posunutí náboje a vzniku elektrického pole. Toto pole se projeví jako elektrické napětí na elektrodách, které jsou na materiál naneseny.

Konstrukce piezoelektrického tlakového senzoru

Piezoelektrický tlakový senzor typicky sestává z piezoelektrického prvku (senzory), který je mechanicky spojen s membránou. Tato membrána přenáší tlak na piezoelektrický prvek. Elektrody nanesené na piezoelektrický prvek slouží k detekci generovaného napětí. Celá sestava je často uzavřena v ochranném pouzdru. Různé konstrukce se liší v materiálech použitých pro membránu a piezoelektrický prvek, stejně jako v jejich geometrii, což ovlivňuje citlivost a rozsah měření senzoru.

Charakteristika senzorů a jejich výběr

Výběr vhodného piezoelektrického tlakového senzoru závisí na konkrétní aplikaci a požadovaných parametrech. Důležité charakteristiky zahrnují:

Charakteristika	Jednotka	Typické hodnoty
Rozsah měření	Pa, kPa, MPa	0-100 kPa, 0-1 MPa, 0-10 MPa a další
Citlivost	mV/kPa, mV/MPa	10 mV/kPa až několik mV/MPa
Lineárnost	%	< 1%, < 0.5%
Frekvenční odezva	Hz	od DC do několika kHz, závisí na konstrukci
Teplotní závislost	mV/°C	závisí na materiálu a konstrukci
Hystereze	%	< 1%, < 0.5%

Aplikace piezoelektrických tlakových senzorů

Piezoelektrické tlakové senzory se používají v široké škále aplikací, včetně:

Měření tlaku v pneumatikách: Monitoring tlaku v pneumatikách automobilů pro zlepšení bezpečnosti a spotřeby paliva.
Biomedicínské aplikace: Měření krevního tlaku, intraokulárního tlaku.
Průmyslová automatizace: Řízení procesů, monitorování tlaku v potrubích.
Měření akustického tlaku: Mikrofony, hydrofony.

Omezení piezoelektrických tlakových senzorů

Ačkoliv jsou piezoelektrické tlakové senzory velmi užitečné, mají i svá omezení. Hlavní nevýhodou je jejich citlivost na teplotu a stárnutí materiálu, které mohou ovlivnit přesnost měření. Dále jsou často dražší než jiné typy tlakových senzorů. Je také důležité správně kalibrovat senzory pro zajištění přesných měření.

Piezoelektrické tlakové senzory představují spolehlivý a přesný způsob měření tlaku v širokém spektru aplikací. Pochopení jejich principu fungování a vlastností je klíčové pro jejich efektivní použití. Správný výběr senzoru s ohledem na požadavky aplikace je nezbytný pro dosažení optimálních výsledků.