Piezo Vibrationssensor

Wie funktioniert der Piezo Effekt?

Nehmen wir als Beispiel den Siliziumdioxid Kristall SiO2 das aus einem Silizium und zwei Sauerstoff Ionen besteht. Zur Vereinfachung werden zwei benachbarte Sauerstoff Ionen (negativ geladen) durch einen schwarzen Kreis dargestellt und das Silizium (positive geladen) als roter Kreis. Durch die Verbindung der Ionen ist dieser Kristall nach aussen elektrisch neutral.

Wird jetzt ein Druck von oben auf dem Kristall ausgeübt, dann entsteht auf der Oberfläche durch die Ladungsverschiebung eine Spannung. Das Silizium wird nach unten und der Sauerstoff nach oben gedrückt. Wird der Druck von der Seite ausgeübt, dann schiebt sich das Silizium nach oben und der Sauerstoff nach unten, dadurch wird die Polarität der Spannung umgekehrt.

Piezo Scheibe als Vibrationssensor

Das die Piezo Scheibe bei mechanischer Beanspruchung Spannung abgibt können wir uns zunutze machen. Vibrationen sind auch mechanische Einflüsse auf das Piezo Material, und die können wir über den Arduino oder einen ESP messen. Als Anwendung, könnte man eine Waschmaschine prüfen, ob sie wäscht oder schon fertig ist. Beim Waschen entstehen Vibrationen und solange wir diese Vibrationen messen, wäscht die Maschine. Wenn sich die Waschmaschine für ein paar Minuten nicht mehr „bewegt“ dann können wir davon ausgehen, dass der Waschvorgang beendet ist und die Maschine fertig zum Ausräumen ist. Mit dieser Information können wir eine Nachricht senden, dass die Waschmaschine fertig gewaschen hat.

Ein Weiteres Anwendungsbeispiel ist zur Überwachung von z. B. einer Schublade. Wir können den Sensor auf der Innenseite montieren und sobald die Schublade bewegt wird, geben wir ein Alarmsignal aus. 

Für diese kleine Schaltung benötigen wir einen 1 MΩ Widerstand und eine Zener-Diode. Bei einem Arduino muss die Sperrspannung der Zener Diode 5,1 V und bei einem ESP 3,3 V haben. Sie stellt sicher, dass keine höhere Spannung eingespeist wird. Am Mikroprozessor gehen wir mit dem Eingang auf einen Analogen Pin, hier im Beispiel auf A0. Sobald eine Vibration wahrgenommen wird, dann schreiben wir den Wert der Vibration in den Serial Monitor. Je Stärker sie ausfällt desto höher ist der Wert.

Wer es etwas einfach haben möchte, es gibt fertige Module wo der WiderStand und die Zener-Diode schon fertig verlötet ist. 

void setup() {
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  int val=analogRead(0);
  Serial.println(val);
  delay(100);
}

Piezo Vibration Sensor Material:

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Node-MCU ESP8266 Board:

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Relais:

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Netzteile:

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Jumper Wire:

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►Breadboard:

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USB Kabel:

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