Czujniki stosowane są do rejestrowania zjawisk w otaczającym ich środowisku np. takich jak drgania. Uzyskane wartości następnie są zamieniane na jednostki fizyczne. Umożliwiają one określenie parametrów związanych z przemieszczeniem, działającymi siłami czy ciśnieniem. Dobrym rozwiązaniem do tego typu pomiarów są czujniki piezoelektryczne. Co warto o nich wiedzieć, aby działały zgodnie z przeznaczeniem?
Charakterystyka i działanie czujników piezoelektrycznych
Czujniki piezoelektryczne, dzięki swojej prostej budowie i stosunkowo niewielkiej cenie są w stanie zapewnić prawidłowe funkcjonowanie wielu miejsc poprzez kontrolę stanu technicznego urządzeń. Ich działanie polega na wykorzystywaniu zjawiska piezoelektrycznego w celu przetworzenia zmian kształtu lub sił na napięcie elektryczne. Możliwe jest to poprzez zastosowanie kryształów nazwanych piezoelektrykami.
Zjawisko piezoelektryczne polega między innymi na tym, że na powierzchni kryształu pojawia się ładunek elektryczny wywołany przez siłę bezwładności działającą na kryształ, która go ściska lub rozciąga. Obecnie do budowy czujników drgań stosuje się sztucznie otrzymane kryształy kwarcu, lub spieki ceramiki o właściwościach piezoelektrycznych. Właściwości ceramiki dają możliwość generowania większego ładunku w porównaniu do kwarcu, dlatego ceramiczne piezoelektryki są montowane w czujnikach o małych gabarytach. Najczęściej stosowane czujniki piezoelektryczne to akcelerometry z wbudowaną elektroniką (ICP/IEPE). Obudowa czujnika wykonana jest z lekkiej konstrukcji z użyciem takich materiałów takich jak np. tytan, który zapewnia im wysoką odporność, eliminując jednocześnie czynniki, które mogłyby zaburzyć wyniki pomiarów.
Jaką rolę odgrywa kalibracja czujników piezoelektrycznych?
Maszyny lub urządzenia wykorzystywane w niektórych sektorach przemysłu pracują w sposób ciągły. Dlatego bardzo ważnym aspektem jest odpowiednia diagnostyka sprzętu technicznego. Wraz z upływem czasu, parametry czujnika ulegają różnym zmianom. Zdarzają się również sytuacje, kiedy pod wpływem pracy w ciężkich warunkach czujnik ulega awarii. W tym przypadku niezbędną kwestią prawidłowego funkcjonowania jest kalibracja czujników piezoelektrycznych. Zaleca się wykonywanie jej co 12 miesięcy.
Jeżeli czujnik używany był w trudnych warunkach lub uległ uszkodzeniu, warto rozważyć częstszą kalibrację. W przypadku akcelerometrów ICP/IEPE polega to na śledzeniu wartości napięcia elektrycznego dla stałej amplitudy wymuszenia oraz zmiennej wartości częstotliwości, a w dalszym kroku na porównaniu zebranych danych z nominalnymi podanymi przez producenta. Kalibracja akcelerometru nie przywraca jego pierwotnej charakterystyki, a jedynie daje informację o aktualnym stanie czujnika. Wykonanie kalibracji jest bardzo istotne i wpływa na rzetelność wykonanych pomiarów. Czujniki piezoelektryczne wykorzystuje się również w dziedzinie testowej w celu potwierdzenia własności badanego obiektu, stąd każdorazowo przed i po wykonaniu pomiaru czujnik powinien zostać sprawdzony systemem kalibracyjnym pod kątem określonych przez producenta parametrów. Ma to na celu zapewnienie powtarzalności pomiarów oraz uniknięcie sytuacji, w której czujnik wskazywałby wyniki nieadekwatne do rzeczywistych.
Jakie zastosowanie mają czujniki piezoelektryczne?
Piezoelektryczny element sensoryczny jest głównym komponentem czujników piezoelektrycznych – m.in. przyspieszenia, siły i ciśnienia. Akcelerometry są niezbędne w miejscach narażonych na drgania, takich jak fabryki czy miejsca budowy, a ich zadaniem jest zapewnienie bezpieczeństwa zarówno pracowników, jak i środowiska. Ponadto, wykorzystywane mogą być do kontroli stopnia zużycia maszyn i urządzeń, a także w trakcie prowadzenia badań w ośrodkach naukowych m.in. podczas wykonywania analiz modalnych. Pomiar drgań w trakcie takich analiz wymaga użycia akcelerometrów dopasowanych do badanej struktury i panujących warunków. Zatem szeroki wybór akcelerometrów o różnych parametrach jest kluczowy.
Nieodzownym etapem projektowania urządzeń mechatronicznych jest porównanie wyników symulacji z rzeczywistymi parametrami występującymi w środowisku pracy. Produkty w fazie testowej są poddawane różnym próbom wytrzymałościowym. Przykładem może być crash test, podczas którego monitorowany jest impuls siły uderzenia. Również podczas testowania podatności urządzeń na upadek (drop test) konieczna jest znajomość siły podczas uderzenia, która może spowodować uszkodzenie. Najlepszym rozwiązaniem do zmierzenia takich sił m.in. w wymienionych testach będzie zastosowanie piezoelektrycznego czujnika siły wytrzymującego uderzenia nawet do 111 kN.
Wykorzystywanie elementu piezoelektrycznego w czujnikach ciśnienia pozwala uzyskać bardzo precyzyjny wynik pomiaru ciśnienia dynamicznego poprzez możliwości odbierania sił działających bezpośrednio na urządzenie. Co więcej, piezoelektryczne czujniki ciśnienia są w stanie rejestrować zmiany w szybkim tempie, na przykład mierzą skoki ciśnienia zachodzące z częstotliwością do 100 kH. Stosowane są podczas testowania broni, np. w przypadku badania ciśnienia fali uderzeniowej wytworzonej przez wybuch ładunku pirotechnicznego. Czujniki ciśnienia wykorzystywane do takich badań, podobnie, jak inne wyżej wymienione dostarczają firmy takie jak np. EC TEST Systems, które specjalizują się w branży rozwiązań pomiarowych, diagnostycznych oraz symulacyjnych z zakresu drgań i akustyki.
