A piezoelektromosság olyan fizikai jelenség, melynek során bizonyos anyagokon (kristály, kerámia) összenyomás hatására elektromos polarizáció (töltésszétválasztás) lép fel. Így a mechanikai feszültségváltozás elektromos feszültséget hoz létre. A fordított effektus során elektromos feszültség hatására megváltozik az alakjuk. Ez utóbbi az inverz piezoelektromosság. A jelenség tehát megfordítható, ugyanabban az anyagban oda-vissza működik.
A Curie-fivérek 1880-ban figyelték meg, hogy egyes ásványi anyagok, mint pl. a kvarc, mechanikai feszültségi állapot hatására villamosan polarizálódnak és felületükön villamos töltést halmoznak fel. A piezoelektromos szenzoroknál nem áram, nem feszültség, hanem töltés keletkezik! Ezt kell megmérni. A piezoátalakítónak mindig van saját kapacitása is, ennek következtében az elektródákon egy feszültség is megjelenik (q = C·U). A töltések azonban előbb-utóbb elfogynak, így a feszültség is megszűnik. Ezért a cél nem a feszültség, hanem a töltésmennyiség megmérése.
Piezoelektromos anyagok: Számos igen előnyös tulajdonsága miatt piezoelektromos átalakítók céljára szinte kizárólag a kvarcot (SiO2), annak természetes vagy mesterséges formáját használják fel.
A kvarc előnyös tulajdonságai a következők:
- nagy szilárdság
- viszonylag nagy ellenálló-képesség hőmérsékleti hatásokkal szemben, mintegy 500 °-ig a piezoelektromos tényező alig változik
- igen nagy szigetelési ellenállás
- nagy linearitás, hiszterézis nélkül.
A kvarc szinte egyetlen hátránya, hogy maga a piezoelektromos effektus nem túl nagy. Ezért használunk olyan anyagokat, amelyeknél az effektus nagyobb, mint például a bárium-titanát, a Seignette-só vagy a PZT (ólom-cirkonát-titanát). Sajnos a nagyobb érzékenységnek ára van: ezek az anyagok nem annyira stabilak, és az effektus sokkal erősebben függ a környezeti feltételektől, pl. hőmérséklet, nedvesség. Ezért mérésre legtöbbször ma is a kvarcot választják.
A szimmetriaközépponttal nem rendelkező szerkezetű kristályos anyagokban a deformáció (rugalmas alakváltozás) hatására elektromos dipólusok keletkeznek, mert a pozitív és negatív töltésközéppontok különválnak, vagy a már meglévő dipólusok hossza megváltozik. A kristály szemben álló lapjain – a mechanikai feszültség keltette dipólusok rendeződése miatt – ellentétes előjelű elektromos töltések halmozódnak fel, ami elektromos feszültséget hoz létre. A deformáló erő irányváltozásakor az előjel felcserélődik, az elektromos tér és a feszültség is előjelet vált.
A fordított piezoelektromos jelenség akkor lép fel, ha a piezoelektromos kristály valamelyik kristálytengelyével egybeeső irányú elektromos térbe kerül. A térerősség irányától függően az elektromos tér hatására, annak irányától függően összehúzódik vagy megnyúlik. A méretváltozás az elektromos tér erősségének nagyságával arányos és irányfüggő.
Bizonyos piezoelektromos anyagok (pl. turmalin) hőmérséklet-változás hatására deformálódnak, ami ellentétes előjelű elektromos töltéseket hoz létre a megfelelő határfelületeken, ez a jelenség a piroelektromosság.
A piezoelektromos szenzorok tulajdonságai: Tekintettel arra, hogy a piezoelektromos effektussal létrehozott töltések előbb-utóbb elfogynak, elszivárognak, kiegyenlítődnek, a piezoelektromos jelátalakítókkal nem lehet statikus mérést végezni. Ezek elsősorban a dinamikus mérések eszközei.
A piezoelektromos elven működő szenzorokra jellemző az igen éles, rezonanciafrekvencián jelentkező erősítéstöbblet és a kis frekvenciákon eltűnő érzékenység, ami tulajdonképpen azt jelenti, hogy a piezoszenzorokat nem lehet statikus mérésekre használni.
A piezoelektromos szenzorokat legtöbbször gyorsulásmérőnek, ritkábban erő- vagy nyomásmérőnek használják.
cserviktamas.wordpress.com 