Mis on piesoelektriline andur?

Piesoelektriline andur on seade, mis mõõdab rõhku või pinget, kasutades piesoelektrilisust – nähtust, mille puhul teatud materjalid võivad deformeerumisel tekitada elektrivoolu. Seega saab piesoelektriline andur muundada kokkusurumise, löögi, kiirenduse või vibratsiooniga talle avaldatava jõu elektriliseks signaaliks, mille tugevus on võrdeline jõu tugevusega. Seda efekti demonstreerivad mitmed looduslikult esinevad materjalid, eriti kvarts ja turmaliin. Piesoelektrilisi materjale saab sünteesida ka tööstuslikult. Sünteetilised piesoelektrilised materjalid võivad olla monokristallmaterjalid, mis on sarnased looduslikele kristallidele, kuid millel on täiustatud omadused, näiteks galliumfosfaadi kristallid; piesokeraamilised materjalid, nagu pliitsirkonaattitanaat (PZT), mida saab odavalt toota paagutamise või pulbriliste koostisainete ahjus kuumutamise teel; ja polümeerid, nagu polüvinülideenfluoriid (PVDF), millest saab valmistada õhukesi painduvaid kilesid.

Piesoelektriliste andurite genereeritud elektrisignaal langeb kiiresti pärast jõu esmakordset rakendamist. See tähendab, et need ei sobi staatilise jõu mõõtmiseks; aga nad on suurepärased väga lühiajaliste jõudude, näiteks löögijõudude mõõtmisel. Ükskristall- ja piesokeraamilised andurid on väga jäigad ja neil on väga kõrge loomulik sagedus. Anduri loomulik sagedus seab selle kasutamisele piirangud, kuna mõõtmisvead tekivad siis, kui mõõdetava vibratsiooni sagedus on anduri omale lähedane. Piesoelektrilise anduri kõrge loomulik sagedus võimaldab sellel siiski täpselt mõõta väga kõrgeid sagedusi. See tähendab, et seda saab kasutada ebatavaliste vibratsioonimustrite tuvastamiseks, mis võivad olla põhjustatud materjalide ja komponentide defektidest.

Üksikkristall- ja piesokeraamiliste andurite kõrge jäikus tähendab, et neil on sageli sarnased füüsikalised omadused materjalidega, nagu teras, millest valmistatakse tööriistu ja masinaid. Seetõttu saab andureid integreerida tööriistadesse ja masinatesse nende struktuuri osana, nii et neid saab ehitada sisseehitatud anduritega. Seda tüüpi piesoelektrilised andurid on ka väga vastupidavad, taluvad tugevaid löögijõude ja töötavad tõhusalt kõrgel temperatuuril ning seda kasutatakse paljudes tööstuslikes rakendustes materjalide rõhu ja pinge mõõtmiseks. Neid saab kasutada ka kiirenduse mõõtmiseks – kui objekt kiirendab, avaldab see vastupidises suunas jõudu, mida saab mõõta anduriga.

Piesoelektrilistel anduritel on lai valik muid rakendusi. Üks levinud rakendus on mikrofonid, kus helilainete poolt avaldatav jõud muudetakse elektrilisteks signaalideks ja salvestatakse või võimendatakse. Paindlikke, kergeid piesoelektrilisi materjale, nagu PVDF, saab kasutada puuteekraanides ja puuteplaatides ning neid saab kasutada ka teadusuuringutes. Näiteks saab väikeloomadele ja isegi putukatele kinnitada pisikesi andureid, et jälgida nende tegevust ja käitumist.