14. Sensores piezoeléctricos

El efecto piezoeléctrico consiste en la aparición de una polarización eléctrica en un material al deformarse bajo la acción de un esfuerzo.
Es un efecto reversible, de modo que al aplicar una diferencia de potencial eléctrico a un material piezoeléctrico, aparece una deformación.
Estos fenómenos fueron descubiertos por Jacques y Pierre Curie en 1880.
La piezoelectricidad está relacionada con la estructura cristalina de los materiales.



Las propiedades piezoeléctricas se manifiestan en 20 de las 32 clases cristalográficas, aunque en la práctica se usan sólo unas pocas. Entre los materiales piezoeléctricos naturales, los de uso más frecuente son el cuarzo y la turmalina. En cuanto a las sustancias sintéticas, las que han encontrado más aplicación como materiales piezoeléctricos son las cerámicas.
La aplicación del efecto piezoeléctrico está sujeto a una serie de limitaciones.

• La resistencia eléctrica que presentan los materiales piezoeléctricos aunque es muy grande no es infinita. De modo que al aplicar un esfuerzo constante se genera inicialmente una carga que inevitablemente es drenada al cabo de un tiempo. Por lo tanto, no tienen respuesta en continua. En la figura se muestra el circuito equivalente de un sensor piezoeléctrico.

• Estos sensores presentan un pico en la respuesta para la frecuencia de resonancia. Por tanto, es preciso trabajar siempre a frecuencias muy inferiores a la de resonancia mecánica.


• La sensibilidad presenta derivas con la temperatura. Además, por encima de la temperatura de Curie (específica para cada material) desaparece el efecto piezoeléctrico.La impedancia de salida de estos sensores es muy alta, por lo que para medir la tensión de salida es preciso utilizar amplificadores con una impedancia de entrada enorme. Son los denominados amplificadores electrométricos o de carga.

Entre las ventajas de los sensores piezoeléctricos destacaremos las siguientes:

• Alta sensibilidad, obtenida muchas veces a bajo coste.
  
• Alta rigidez mecánica; las deformaciones experimentadas son inferiores a 1µm. Esta alta impedancia mecánica es conveniente para la medida de variables esfuerzo (fuerza, presión, etc).
  
• Pequeño tamaño y posibilidad de obtener dispositivos con sensibilidad unidireccional.

Estas características hacen a este tipo de sensores especialmente adecuados para medir todo tipo de vibraciones. Por ejemplo una aplicación típica es como micrófono. También se utilizan mucho en la detección por ultrasonidos.

Algunas de las aplicaciones más frecuentes de los sensores piezoeléctricos están en el campo de los ultrasonidos. Especial mención requieren (por ser muy numerosos) los dispositivos que utilizan técnicas de impulso-eco: detectores de grietas o anomalías en estructuras, detectores de presencia, equipos de ecografía, medidores de distancias, etc.
En la figura se muestra el principio básico de funcionamiento de un medidor de distancias por ultrasonidos.