Akoestische sensoren: betrouwbare en kosteneffectieve metingen

Betrouwbare en kosteneffectieve akoestische sensoren
Het is niet zo gek dat bij meetopdrachten steeds meer gebruik wordt gemaakt van akoestische sensoren. Alles om ons heen produceert trillingen en kan dus akoestisch gemeten worden. Ze zijn multi-inzetbaar en toch nog in de beginfase van hun ontwikkeling.

Rob Pieters, Account Manager bij Sentech, volgt al jaren de ontwikkelingen rond akoestische sensoren. Hieronder lees je de belangrijkste hoogtepunten uit zijn analyse.

Waarom akoestische wave-sensoren?

Akoestische wave-sensoren zijn enorm veelzijdige sensoren waarvan de commerciële potentie nog maar net begint te ontwikkelen. Ze zijn kosteneffectief, robuust, gevoelig en intrinsiek betrouwbaar. Daarnaast kunnen ze passief en draadloos worden toegepast. Draadloze sensoren zijn handig bij het bewaken van parameters op bewegende objecten, zoals de bandenspanning van auto's of het koppel op assen (voor predictive maintenance).

Sensoren die geen voedingsspanning vereisen, zijn essentieel voor het op afstand monitoren van chemische dampen, vocht en temperatuur. Andere toepassingen zijn onder meer het meten van kracht, versnelling, schokken, hoeksnelheid, viscositeit, verplaatsing en stroming. De sensoren hebben ook een akoestische-elektrische gevoeligheid, waardoor de detectie van pH-niveaus, ionische verontreinigingen en elektrische velden mogelijk is.

Akoestische surface wave-sensoren zijn in het algemeen het meest gevoelig gebleken door hun grote energiedichtheid aan het oppervlak. Voor vloeistofdetectie bleek een speciale klasse van shear-horizontal akoestische surface wave-sensoren, ‘Love Wave-sensoren’ genaamd, het meest gevoelig te zijn. Er is nog veel werk te verzetten in de ontwikkeling van deze sensoren voor toekomstige toepassingen.

9 soorten metingen met akoestische sensoren

Akoestische sensoren kunnen verschillende fysieke grootheden meten door geluidsgolven of trillingen te detecteren. Hier zijn 9 voorbeelden van wat ze kunnen meten:

  1. Afstand
    Akoestische sensoren meten de tijd die een geluidsgolf nodig heeft om terug te keren na weerkaatsing van een object. Dit is vergelijkbaar met echolocatie.
  2. Kracht
    Ze meten de kracht die op een oppervlak wordt uitgeoefend door te analyseren hoe geluidsgolven zich door het materiaal voortplanten.
  3. Verplaatsing
    Trillingen of verplaatsingen van een object kunnen worden gemeten door veranderingen in de geluidsgolven die door het object reizen.
  4. Temperatuur
    Akoestische sensoren detecteren temperatuurveranderingen door de snelheid van geluidsgolven in verschillende materialen te meten.
  5. Vloeistofniveaus
    Door de tijd te meten die geluid nodig heeft om van de sensor naar het vloeistofoppervlak en weer terug te reizen, kunnen ze het vloeistofniveau in tanks of leidingen bepalen.
  6. Schokken en versnelling
    Ze detecteren de snelheid en richting van schokken of versnellingen door te kijken hoe geluidsgolven reageren op beweging.
  7. Vochtigheid
    Akoestische sensoren meten veranderingen in luchtvochtigheid door te kijken naar de invloed van waterdamp op het geluidssignaal.
  8. Chemische stoffen
    Sommige sensoren kunnen chemicaliën en verontreinigingen detecteren door te analyseren hoe geluidsgolven interactie hebben met moleculen in de lucht of op oppervlakken.
  9. Viscositeit
    Akoestische sensoren meten de viscositeit van vloeistoffen door te observeren hoe de geluidsgolven veranderen in reactie op de vloeistof.

Een eeuw van innovatie

De geschiedenis van akoestische wave-technologie strekt zich uit over meer dan 60 jaar, waarbij de grootste toepassing in de telecommunicatie-industrie ligt. Deze industrie gebruikt jaarlijks ongeveer 3 miljard akoestische wave-filters, voornamelijk in mobiele telefoons en basisstations. Deze filters, meestal Surface Acoustic Wave (SAW)-apparaten, zijn cruciaal in de radiofrequentie- en middenfrequentiesecties van zendontvanger elektronica. Recentelijk zien we een groeiende interesse in het gebruik van akoestische wave-sensoren in diverse andere sectoren, zoals de automotive industrie, de medische sector en industriële toepassingen.

transportbanden-monitoren-in-fabriek-met-akoestische-sensoren

Akoestische sensoren zijn geschikt voor predictive maintenance. Ze kunnen bijvoorbeeld afwijkende geluiden van transportbanden detecteren, wat kan wijzen op slijtage. Op deze manier verkleinen ze de kans op onverwachte defecten. 

De werking van akoestische wave-sensoren

Akoestische wave-sensoren gebruiken een mechanische of akoestische wave als detectiemechanisme. Wanneer een akoestische wave zich door of op het oppervlak van een materiaal voortplant, beïnvloeden veranderingen in het voortplantingspad de snelheid en/of amplitude van de wave. Deze veranderingen in snelheid worden gedetecteerd door de frequentie- of fasekarakteristieken van de sensor te meten en te correleren met de gemeten fysieke grootheid.

Van piëzo-elektrisch substraat tot sensor

De productie van deze sensoren begint met het zorgvuldig polijsten en reinigen van een piëzo-elektrisch substraat, zoals kwarts, lithiumtantalaat of lithiumniobaat. Deze materialen worden gekozen vanwege hun specifieke eigenschappen, waaronder kosten, temperatuurafhankelijkheid en voortplantingssnelheid. Het fabricageproces omvat het aanbrengen van een metalen laag, meestal aluminium, en het gebruik van fotolithografische technieken om een interdigitale transducer (IDT) te vormen.

Bulkwave versus oppervlaktewave

Akoestische wave-sensoren onderscheiden zich door hun voortplantingsmodi, zoals bulkwave en oppervlaktewave. De meest gebruikte bulk akoestische wave (BAW)-apparaten zijn de dikte-shear-modus (TSM)-resonator en de shear-horizontale akoestische plaat-modus (SH-APM)-sensor. Oppervlaktewave-apparaten zoals de oppervlakte-akoestische wave-sensor en de shear-horizontale oppervlakte-akoestische wave-sensor (SH-SAW) zijn ook populair. De keuze van het apparaat hangt af van de specifieke toepassing en vereiste gevoeligheid.

Van automotive tot medische sector: de veelzijdigheid van akoestische sensoren

Akoestische wave-sensoren worden toegepast in uiteenlopende sectoren. In de automotive industrie worden ze gebruikt voor koppel- en bandenspanningssensoren. In de medische sector vinden we ze terug als chemische sensoren. Ze zijn ook inzetbaar in industriële en commerciële toepassingen als damp-, vochtigheids-, temperatuur- en massasensoren. Dankzij hun scherpe prijs, robuustheid, hoge gevoeligheid en betrouwbaarheid winnen deze sensoren snel aan populariteit. Bovendien kunnen sommige sensoren passief en draadloos worden uitgelezen, wat extra voordelen biedt in bepaalde toepassingen.

De toekomst van akoestische wave-sensoren

Recente ontwikkelingen in de akoestische wave-technologie omvatten de creatie van sensoren met hogere frequenties en gevoeligheden, gebruikmakend van geavanceerde materialen en microbewerkingstechnieken. Deze innovaties openen deuren naar nieuwe toepassingen en verbeteringen in sensorprestaties. De focus ligt op het verhogen van de gevoeligheid, het verminderen van de kosten en het verbreden van het toepassingsgebied.

Akoestische wave-sensoren staan aan de vooravond van een nieuwe golf van technologische innovaties en toepassingen. Met hun veelzijdigheid, kosteneffectiviteit, robuustheid en hoge gevoeligheid bieden ze veelbelovende mogelijkheden voor uiteenlopende industrieën. Of het nu gaat om het monitoren van bandenspanning in bewegende voertuigen, het detecteren van chemische dampen op afstand, of het meten van kracht en versnelling, akoestische wave-sensoren zullen de manier waarop we onze omgeving proberen te begrijpen enorm vooruithelpen.

Blijf voorop in sensorinnovatie

In een wereld waarin technologie razendsnel ontwikkelt, is het moeilijk om up-to-date te blijven. Wil je op de hoogte blijven van de nieuwste ontwikkelingen in sensortechnologie? Onze nieuwsbrief geeft je een voorsprong.

Via onze maandelijkse nieuwsbrief ontvang je technologieblogs, nieuws, trends en achtergrondverhalen in je mailbox. Schrijf je nu in en ontdek wat sensortechnologie de toekomst brengt!

nu inschrijven