Czujniki piezoelektryczne mają wiele zalet i są obecnie jedną z kluczowych technologii pomiarowych w przemyśle.
Efekt piezoelektryczny został odkryty przez Piotra i Jakuba Curie w 1880 r. Siedemdziesiąt lat później Walter P. Kistler opatentował wzmacniacz czujników piezoelektrycznych.
Technologia pomiarowa oparta na zjawisku piezoelektrycznym gwarantuje poprawę niezawodności procesu produkcyjnego, zapewnia stałą poprawę wydajności oraz umożliwia produkcję bez braków.
Efekt piezoelektryczny
Technologia pomiaru oparta na efekcie piezoelektrycznym optymalizuje proces produkcyjny przez pomiar siły, ciśnienia, przyspieszenia i momentu. Gdy do kryształu kwarcu używanego w tej technologii przyłożymy siłę mechaniczną, generuje on sygnał elektryczny proporcjonalny do tej siły. Dzięki dużej twardości kryształu odkształcenie mechaniczne jest niewielkie, zwykle w granicach kilku mikronów. Gdy mierzony proces jest szybki i dynamiczny, wysoka częstotliwość drgań własnych kwarcu stanowi dużą zaletę takiego pomiaru. W zależności od kierunku działania siły w stosunku do osi kryształu piezoelektrycznego zmieniają się jego własności.
Czułość kryształu jest niezależna od jego wielkości i kształtu. Czujniki piezoelektryczne są stosowane jako sensory w pomiarze siły, momentu, naprężenia, ale również przyspieszenia. Używane są również w czujnikach ekstremalnie odpornych na zmiany temperatury. Stosowny wzmacniacz przetwarza napięcie wytwarzane przez kryształ na odpowiadające mu napięcie wyjściowe. Wzmacniacz działa jak integrator elektroniczny, wykorzystując rezystor zakresowy dla utrzymania stosownej proporcjonalności między działającą siłą a napięciem wyjściowym.
Czujnik kwarcowy umożliwia bezpośredni lub pośredni pomiar siły. W przypadku pomiaru bezpośredniego czujnik jest umieszczony na kierunku działania siły i mierzy jej całkowitą wartość. Ten rodzaj pomiaru gwarantuje dużą dokładność i jest w zasadzie niezależny od punktu przyłożenia siły. Jeżeli czujnik nie może być umieszczony dokładnie na kierunku działania siły, to wówczas mierzy tylko jej składową, a reszta działającej siły jest przenoszona przez konstrukcje mocowania czujnika. W takim przypadku do pomiaru naprężeń w konstrukcji używa się czujników tensometrycznych.
Czujniki kwarcowe są niezwykle stabilne, trwałe i zwarte. Te cechy zapewniają im powszechne użycie w systemach badawczych, a także przemysłowych i kontrolnych.
Zalety czujników piezoelektrycznych
Pomiar z wykorzystaniem czujników piezoelektrycznych gwarantuje dobrą jakość pomiarów, zarówno dynamicznych, jak i statycznych. Przykładowo, pomiar sił dynamicznych jest wykorzystywany w pomiarach starzenia i obciążenia elementów w branży motoryzacyjnej. Czujnik kwarcowy składa się wówczas z elementu aktywnego, generującego wyjściowy sygnał liniowy proporcjonalny do działającej siły. Dzięki temu jeden czujnik może być użyty do pomiarów o różnych zakresach, gdyż siła jest mierzona bezpośrednio przez czujnik, a nie pośrednio przez deformację struktury jego mocowania. Ta cecha wyjaśnia, dlaczego tego rodzaju czujniki, mierząc siły o dużej dynamice, mogą poprawnie pracować przez całe dziesięciolecia bez potrzeby ich wymiany.
Inną pozytywną cechą czujników piezoelektrycznych zabezpieczającą je przed przeciążeniami jest fakt, że reagują one na wielkość siły, a nie odkształcenia. Dzięki temu praktycznie nie występuje ich przemieszczenie w trakcie pomiaru.
Wytrzymałość większości czujników na ciśnienie mieści się w granicach 3…108 Pa, co gwarantuje dużą przeciążalność czujnika bez ryzyka jego uszkodzenia. Co więcej, nawet gdy czujnik zostanie przeciążony ponad dopuszczalne wartości, nie nastąpi jego deformacja ani przesunięcie zera, nie straci on również liniowości pomiaru.
Stefan Schafer jest dyrektorem produkcji w firmie Kistler Instrumente.
