Piesoelektriline takisti

Piesoelektriline takisti

Piesoelektriline takisti ehk piesotakisti (lühend PT; inglise keeles Force Sensing Resistor, lühend FSR) on takistite alamliik, mille takistus muutub, kui sellele rakendatakse jõudu. Kuigi lühend FSR ja Force Sensing Resistor on firma Interlink Electronics kaubamärk, kasutatakse neid laialdaselt kõikide PT-de ingliskeelse nimetusena.

Ajalugu

Põhimõtet, millel piesoelektrilised takistid töötavad, kasutati esmakordselt esimeses tänapäevases mikrofonis, mille leiutas Alexander Bell oma esimese telefoni jaoks. Mikrofonis olid kahe metallplaadi vahel süsinikust graanulid, mis muutsid oma elektritakistust, kui helilained põrkusid vastu metallplaati.

Moodsad PT-d kasutavad sama põhimõtet, kuid kuna graanulite suurus on mitu korda väiksem, saab nendega palju täpsemaid tulemusi. Tänapäevase piesotakisti leiutas 1977. aastal Franklin Eventoff, proovides digitaalseid instrumente senisest interaktiivsemaks muuta. Franklin Eventoff asutas firma Interlink Electronics, mis on praegu maailmas juhtiv PT-de tootja.

Ehitus

Piesotakisti ehitus

Piesotakistid koosnevad neljast elastsest materjalikihist:

• esimene kiht on elektrit isoleeriv plast;
• teine kiht on aktiivne ala, mis koosneb maatriksisse paigutatud mikrosuurusjärgus elektrijuhtidest ja mittejuhtidest, mis on ühendatud elemendi otstel asuvate ühendusklemmidega;
• kolmas kiht on plastist vahepuks, millesse on kohakuti aktiivse ala ja polümeerikihiga lõigatud avaus ja piki saba jooksev õhuava;
• neljas kiht koosneb painduvast substraadist, mis on kaetud elektrit juhtiva polümeerikihiga, mis on asetatud aktiivse alaga vastastikku. Polümeeri asemel kasutatakse ka spetsiaalset piesotakistite jaoks väljatöötatud tinti.

Tööpõhimõte

PT siseehitus

Kui andurile rakendatakse välist jõudu, siis aktiivne ala deformeerub vastu substraati. Õhk, mis asus plastist vahepuksi vahel, lükatakse läbi sabas asuva õhuava välja. Elektrit juhtiv materjal (polümeer või spetsiaalne tint) satub kontakti aktiivse alaga. Mida rohkem aktiivsest alast on kokkupuutes elektrit juhtiva materjaliga, seda rohkem tekib elektril võimalusi jõuda aktiivalast polümeeralasse ning seda madalamaks muutub takistus elementi läbivale voolule.

Kõik piesotakistid käituvad nagu lülitid: läheb vaja kindlat hulka jõudu, et murda anduri takistus puhkeasendis (umbes 1 megaoomist) ja viia ta mõõtepiirkonda (algab umbes 100 kilo-oomist).

Tööpõhimõttelt sarnaneb piesoelektriline takisti väga tensotajuriga. Ainus erinevus on, et tensoandur deformeerub ise kaasa koos resistiivse elemendiga, kuid piesoelektriline takisti seda ei tee ja vajab toetavat pinda. Seda on vajalik meeles pidada, kui hakatakse piesotakisteid kasutama.

Üks piesotakistite iseloomulikke omadusi on see, et takistus ei muutu lineaarselt vastavalt andurile rakendatud jõule. Takistus langeb kiiremini alguses, sest vaba ruum PT sees muutub kokkupressituks. See on kasulik, kui on tarvis katta suurt jõuvahemikku. PT väljundsignaal on monotoonne funktsioon anduri pinnast ja sellele rakendatud survest. Kui pinnale on avaldatud piisavalt survet, siis funktsioon muudab kiiresti kallet sensori küllastuse tõttu. Sellest punktist alates ei muutu väljundsignaal surve suurenemisel enam nii kiiresti.

Plussid ja miinused

Plussid

PT kujud ja suurused

• Võrreldes teiste jõuanduritega on PT-d väiksemad (paksus alla 0,5 mm).
• Piesotakistid on tööpõhimõttelt nagu tavalised takistid, seega on neid lihtne vooluringi integreerida ja enamasti ei vaja tugivooluringi.
• Nad on odavad ja hästi kättesaadavad.
• PT-d on hea põrutuskindlusega.
• Neid on igasuguse kuju ja suurusega. Saab kasutada täpselt sellist PT-d, mida projekt vajab.

Miinused

• Piesotakistite peamine miinus on nende põhiline komponent: anduri keskel asuv polümeer. Kui PT on kokku pigistatud, siis läheb aega, enne kui polümeer oma endise kuju tagasi võtab. Mida kõvemini ja kauem pigistati, seda kauem läheb aega polümeeri esialgse kuju taastumiseks. 95% kujust taastub kohe, aga viimased 5% taastuvad alles kümne sekundi jooksul. Kui PT esialgne kuju pole enne järgmist mõõtmist taastunud, ei ole tulemus täpne ja PT ei anna spetsifikatsioonile vastavat lugemit.
• Polümeer on tundlik kokkupigistamise viisi suhtes.
• Piesotakistitel on mittelineaarne survevastus, mis sõltub ajast, temperatuurist, niiskusest ja võib olla erinev sama mudeli erinevate eksemplaride vahel. Sellepärast ei ole nad kasutatavad kohtades, kus täpsus ja korratavus on tähtsad. Kuid paljudes toodetes, kus puutetundlikke takisteid kasutatakse, on vahelüliks inimene, kes saab vajutada soovitud efekti saamiseks tugevamini või nõrgemini.
• PT-d on väga haprad. Neid tehakse õhukesest plastist ja kasutamisel satuvad nad tihti suure surve alla, mille tõttu võivad nad liimist lahti tulla.
• Piesotakistid ei kannata pikaajalist survet (tundide pikkust).
• Piesotakistitele on iseloomulik ebatäpsus, väljundsignaal võib samades olukordades erineda 10%, halvematel juhtudel kuni 25%.

Vooluringi ühendamine ja kasutamine

• Piesotakistit saab vooluringis asendada peaaegu iga takistiga, andes sellega võimaluse vooluringi väliselt mõjutada. Takistus varieerub mitmest megaoomist, kui surve takistile puudub, paarisaja oomini, kui takistile mõjub suur surve. See on eriti kasulik heliga töötlemiseks mõeldud vooluringides, kus on tarvis muuta sagedust või amplituudi suurtes vahemikes.
• Tähtis on hoida voolu, mis läbib piesotakistit, madalana. Mida rohkem voolu PT-d läbib, seda kuumemaks ta muutub ja seda rohkem muutub takistuse väärtus, kuna takistus sõltub takisti temperatuurist. Kui temperatuur on liiga kõrge, võib see kahjustada piesotakisti polümeerkihti. Vool ei tohi ületada 1 mA aktiivse ala ühele ruutsendimeetrile.
• Kuigi piesotakisteid on lihtne kasutada, siis nende ühendamine elektriskeemidele võib olla keerukas. Enamik piesotakisteid kasutab metallist klambreid, mis asuvad elemendi "sabas". Nende tinutamine on keerukas, kuna sellega kaasnev kuumus võib sulatada saba ümbruses asuva plasti ja kahjustada elektrikontakte, mis asuvad elemendi sees plasti all, rikkudes sellega andurilt saadava lugemi.
• PT-d peavad olema installeeritud siledale ja tugevale pinnale, sest nende tööpõhimõte seisneb sellel, kui palju on takisti deformeerunud. Kui andur on kinnitatud pehmele pinnale, ei anna seade õiget väljundlugemit. Sest siis on andur painde all ja seadme "sabas" asuv õhuava võib sulguda ning õhk ei pääse polümeeri ja aktiivse kihi vahelt välja, takistades niiviisi aktiiv- ja polümeerkihi kokkupuudet.
• PT-d on väga tundlikud külgjõududele ja võivad kergesti pooleks rebeneda. Seadmesse ühendamisel tuleb meeles pidada, et piesotakistid kannatavad ainult survet, mis mõjub risti nende pinnaga, mitte küljega.
• PT ühendamisel soovitud pinnale ei tohi kasutada tsükloakrülaadil põhinevaid liime.

Kalibreerimine

Kui on vaja, et piesotakisti väljund oleks väga täpne ja usaldusväärne, tuleb piesoelektriline takisti kalibreeridada, enne kui andur süsteemi integreeritakse. Võimendusteguri ja eelpinge trimmimine on üks moodus PT kalibreerimiseks.

Tööpiirkond

Piesotakistite tööpiirkond on tavaliselt 0,3–100 N. See on 30 g ~ 10 kg. Nii suur tööpiirkonna vahemik tähendab seda, et piesotakisteid saab kasutada väga paljudes erinevates seadmetes. Väljundiks annavad PT-d kasutavad seadmed pingeväärtuse (keerukamates skeemides ka jõuväärtuse njuutonites). Puhkeasendis on väljundväärtus väike, kuid mida rohkem PT peale surutakse, seda väiksemaks muutub takistus ja vastavalt Ohmi seadusele muutub väljundpinge suuremaks.

Piesotakisti valik

Valik oleneb sellest, kus on vaja PT-d kasutada ning missuguse suuruse ja kujuga andurit vaja läheb. Kaks kõige suuremat PT tootjat on Interlink Electronics ja Flexiforce. Interlink toodab piesotakisteid, mis on erineva kujuga, odavad ja tugevad, kuid sama mudeli erinevad eksemplarid varieeruvad omaduste poolest palju ja nad on aeglase reageerimisajaga. Flexiforce'i sensorid on täpsemad, aga kallimad ja õrnemad.

Kasutusalad

PT-d kasutusel tehiskäe loomisel

Piesotakisteid kasutatakse selleks, et luua puutetundlikke nuppe. Väga palju kasutatakse piesotakisteid muusikatööstuses pillide, näiteks süntesaatorite, elektriksülofonide ja MIDI-instrumentide valmistamisel. Piesotakisteid kasutatakse autoistmetes tuvastamaks, kas keegi istub istmel, ning paljudes kaasaskantavates elektroonikaseadmetes. Järjest laienev valdkond on robootika, kus piesotakisteid kasutatakse robootiliste sõrmede loomisel.