Zastosowania piezoelektrycznych czujników ultradźwiękowych

1. Piezoelektryczny czujnik siły

Piezoelektryczny czujnik siły to a przemysłowy czujnik ultradźwiękowy wykorzystujący elementy piezoelektryczne do bezpośredniej konwersji siły na energię elektryczną. W zastosowaniach rozciągających i ściskających zwykle stosuje się dwa lub więcej kryształów kwarcu piezoelektrycznego jako elementy piezoelektryczne. Jego sztywność, szeroki zakres pomiarowy, wysoka liniowość i stabilność oraz dobre właściwości dynamiczne. W przypadku zastosowania wzmacniacza ładunku o dużej stałej czasowej można zmierzyć siłę quasi-statyczną. W zależności od stanu pomiaru siły istnieją czujniki jednokierunkowe, dwukierunkowe i trójkierunkowe i mają zasadniczo tę samą strukturę.

2. Piezoelektryczny czujnik przyspieszenia

Element piezoelektryczny składa się zazwyczaj z dwóch arkuszy piezoelektrycznych. Płytka piezoelektryczna z warstwą srebra na dwóch powierzchniach arkusza piezoelektrycznego i przyspawaj przewód wyjściowy do warstwy srebra lub zaciśnij kawałek metalu pomiędzy dwoma arkuszami piezoelektrycznymi, przewód jest przyspawany do blachy, a drugi przewód końca wyjściowego jest bezpośrednio podłączony do podstawy czujnika ultradźwiękowego. Umieścić masę o większym ciężarze właściwym na arkuszu piezoelektrycznym, a następnie użyć twardej sprężyny, śruby lub nakrętki, aby wstępnie naprężyć masę. Całość osadzona jest w metalowej obudowie z grubą podstawą. Aby odizolować wszelkie naprężenia badanego elementu od przenoszenia się na element piezoelektryczny i uniknąć fałszywego sygnału wyjściowego, zazwyczaj konieczne jest pogrubienie podstawy lub wybranie materiału o większej sztywności. 

Obecnie istnieje wiele materiałów do wytwarzania piezoelektrycznych czujników ultradźwiękowych, które można podzielić na Części czujnika ultradźwiękowego kryształowe, piezoelektryczne materiały polikrystaliczne i organiczne materiały piezoelektryczne. Najczęściej stosowanymi czujnikami piezoelektrycznymi są różnego rodzaju ceramika piezoelektryczna zaliczana do polikryształów piezoelektrycznych oraz kryształów kwarcu w monokryształach piezoelektrycznych. Inne monokryształy piezoelektryczne obejmują niobian litu, tantalan litu, galusan litu i germanian bizmutu, odpowiednie do środowisk promieniowania o wysokiej temperaturze.

Dzisiejsze wielkoskalowe systemy precyzyjne przywiązują dużą wagę do jakości i rozmiaru, a tradycyjne wielkoskalowe czujniki piezoelektryczne będą stopniowo tracić swój rynek. Wraz z rozwojem nowych materiałów i nowych technologii przetwarzania, krzemowe czujniki przyspieszenia wykonane w różnych technologiach mikroprzetwarzania, takich jak lasery, stopniowo wypierają tradycyjne krzemowe czujniki przyspieszenia ze względu na ich niewielkie rozmiary, wymienność i niezawodność. W przypadku piezoelektrycznego czujnika ultradźwiękowego funkcja czujnika piezoelektrycznego przełamała tradycyjną funkcję. Jego sygnał wyjściowy nie jest już pojedynczym sygnałem analogowym, ale sygnałem cyfrowym przetwarzanym przez mikrokomputer. Niektóre czujniki piezoelektryczne, np. zintegrowane czujnik ultradźwiękowy do pomiaru odległości ma własną funkcję kontrolną, czyli czujnik cyfrowy, to trend najlepszego rozwoju.