Research on Sensitivity of Piezoelectric Ceramic Transducer Components

Due to the piezoelectric effect, piezoelectric ceramics can directly convert non-electricity into electricity, and its piezoelectric constant can be greatly improved by adjusting the composition of the composition or changing the combination of piezoceramic sheets, thereby effectively improving its sensitivity.Therefore, transducer piezoelectric ceramics as sensitive elements are receiving more and more attention. The basic principle and composition of the piezoelectric sensor are briefly introduced. The factors affecting the sensitivity of the piezoelectric sensor are discussed in detail from static and dynamic. On this basis, an effective method for improving the sensitivity is obtained.

The sensor is a device with detection function widely used in the fields of industry, agriculture, national defense, and medicine. It is called "Electric Five", which detects various non-electrical quantities by simulating the functions of human facial features. piezo round disc transducer with piezoelectric effect are one of the PZTmaterials for making sensors. Piezoelectric sensors that are familiar with include piezoelectric accelerometers, piezoelectric gyros, piezoelectric pressure gauges, and galvanometers. With the advancement of technology, many new sensors have been born, and the performance of existing sensors has also been improved. Sensitivity is an important indicator of the sensor. The following factors discuss the factors affecting sensor sensitivity from both static and dynamic aspects.

Basic principles and composition of piezoelectric ceramic sensors are devices that use piezoelectric effects of piezoelectric ceramic sheets to convert stress (or strain) into voltage (or charge) and then amplify and output them through an amplifier. Piezoelectric ceramic sheets are the key components. From the perspective of signal conversion, piezoelectric ceramic sheets are equivalent to a charge generator.

The piezoceramic sensor is composed of a mechanical system that transmits external force to the piezoelectric ceramic sheet, a piezoelectric ceramic sheet, and a measuring circuit that transfers electric charge to the meter. The mechanical system is a bracket portion for mounting and fixing the piezoelectric ceramic sheet. The system is in direct contact with the outside world, and when subjected to an external force, the bracket and the piezoelectric ceramic sheet are deformed together. The piezoelectric ceramic sheet generates a charge output by deformation. The measurement line amplifies the charge and transforms it into a voltage output.

2 Factors of affecting the sensitivity of the piezoelectric sensor

The sensitivity of a piezoelectric discs transducer is the ratio of a small increment of output to a small increment of the corresponding input. The greater the ratio, the higher the sensitivity. The sensitivity of the piezoelectric sensor is related to the sensitivity of the three parts that make it. Since the three parts are connected in series, the sensitivity of the piezoelectric sensor is multiplied by the sensitivity of the three parts. The following analysis is performed from static and dynamic respectively. 

 

2.1 Static analysis
Static analysis refers to the analysis of the relationship between the input and output of the sensor under steady state conditions. The output variable is only a function of the input variable, ie y=f(x), and its sensitivity is dy.

(1) Since there is a simple linear relationship between S and F, Q and S, and U and Q under static conditions, it can be changed to U0=CijdijA, where Cij is the equivalent elastic compliance coefficient of the mechanical system; Dij is the equivalent piezoelectric constant of the piezoelectric ceramic ; A is the amplification factor of the measuring line; the subscript ij represents the direction of the force and the direction of deformation, respectively. In order to increase the sensitivity of the piezoelectric sensor, it is effective to increase the value of one or more factors. Among them, the potential for increasing the piezoelectric constant value of the piezoelectric ceramic sheet is greatest, and the piezoelectric constant can be increased by adjusting the formulation of the piezoelectric ceramic, and the piezoelectricity can beimproved by the seriesparallel combination of the piezoelectric ceramic sheets. Constants, such as the parallel connection of piezoelectric ceramic sheets, double the charge sensitivity. In addition, proper selection of the electrical conditions of the piezoelectric ceramic sheet can also increase the value of the piezoelectric constant, such as the piezoelectric ceramic in the electrical boundary short-circuit state is larger than the equivalent piezoelectric constant of the open state. For piezoelectric ceramics, the vibration mode is different, the piezoelectric constant is also different, and the tangential piezoelectric constant (d15) is larger than the thickness piezoelectric constant (d33) and the radial piezoelectric constant (d31). The piezoelectric constant data of PZT4 piezoelectric ceramics. The sensitivity of the electrical sensor is related to the sensitivity of the three components that make it. Since the three components are connected in series, the sensitivity of the piezoelectric sensor is multiplied by the sensitivity of the three components. The following analysis is performed from static and dynamic respectively.

2.1 Static analysis
Static analysis refers to the analysis of the relationship between the input and output of the sensor under steady state conditions. The output variable is only a function of the input variable, ie y=f(x), and its sensitivity is dy. The sensitivity of the sensor is that because there is a simple linear relationship between S and F, Q and S, and U and Q under static conditions, and equation (1) can be changed to U0=CijdijA(2) where Cij is the mechanics The equivalent elastic compliance coefficient of the system; dij is the equivalent piezoelectric constant of the peizoelectric discs ceramic transducer

; A is the amplification factor of the measuring line; the subscript ij represents the direction of the force and the direction of deformation, respectively. In order to increase the sensitivity of the piezoelectric sensor, it is effective to increase the value of one or more factors. Among them, the potential for increasing the piezoelectric constant value of the piezoelectric ceramic sheet is greatest, and the piezoelectric constant can be increased by adjusting the formulation of the piezoelectric ceramic, and the piezoelectricity can be improved by the series-parallel combination of the piezoelectric ceramic sheets. Constants, such as the parallel connection of piezoelectric ceramic sheets, double the charge sensitivity. In addition, proper selection of the electrical conditions of the piezoelectric ceramic sheet can also increase the value of the piezoelectric constant, such as the piezoelectric ceramic in the electrical boundary short-circuit state is larger than the equivalent piezoelectric constant of the open state. For piezoelectric ceramics, the vibration mode is different, the piezoelectric constant is also different, and the tangential piezoelectric constant (d15) is larger than the thickness piezoelectric constant (d33) and the radial piezoelectric constant (d31). It shows the piezoelectric constant data continuous signal of PZT-4 piezoelectric ceramics, which may also be pulse signals, or periodic input. At this point, the output characteristics of the sensor are no longer steady state, but a transient transition characteristic occurs, that is, the relationship between the output and the input will be a function of time. The dynamic characteristics of the sensor are usually analyzed using amplitude-frequency characteristics. Firstly, the amplitude-frequency characteristics of the mechanical system of the piezoelectric sensor are discussed. The mechanical system is generally classified into a single-degree-of-freedom second-order system. The amplitude-frequency relationship is calculated as X0=sqrt(K/m) as the natural frequency of the system. Where K is the stiffness coefficient of the system, m is the mass of the system; N is the relative damping coefficient. It can be known from equation that for a certain value of N, X/X0 is in the interval [0, 2/(1+4N2, ûH(jX)û is a constant, and the size is equal to 1/X20, which is the upper limit of the maximum frequency of the system. It is 2X0/(1+4N2). Regarding the dynamic analysis of piezoelectric ceramic sheets, for the convenience of discussion, it can be approximated that its amplitude-frequency characteristics are constant over a fairly wide frequency range, and deff is equivalent in the piezoelectric constant. Finally, the amplitude-frequency characteristics of the measurement line are discussed. Taking the charge amplifier as an example, Ri is the input resistance of the measurement line; A is the amplification factor of the amplifier; Rf and Cf are the feedback resistance and the feedback capacitance, respectively. In the case where the magnification is sufficiently large, the amplitude-frequency characteristic of the measurement line is flat  calculating the following amplitude-frequency relationship, that is, Xm1/RfCf. In summary, when the frequency of variation of the external force is within the range .The amplitude-frequency characteristic of the piezoelectric sensor is flat.

The sensitivity of the piezoelectric ceramic sensor is known from the above discussion. Under dynamic conditions, when the frequency of the external force is within the range, the sensitivity of the piezoelectric ceramic sensor is expressed as dynamic, and the piezoelectric ceramic sheet is improved by lowering the natural frequency of the mechanical system. The piezoelectric constant and the method of reducing the feedback capacitance of the measuring line can improve the sensitivity of the piezoelectric sensor.

a. According to static analysis, to improve the sensitivity of the piezoelectric sensor, the sensitivity of each component can be improved, that is, the elastic compliance coefficient of the mechanical system, the equivalent piezoelectric constant of the piezoelectric ceramic piece, and the amplification factor of the measuring line are improved. Among them, the potential for increasing the piezoelectric constant of the piezoelectric ceramic sheet is the greatest.
b. According to the dynamic analysis, the sensitivity of the piezoelectric sensor should be considered in combination with the frequency of change of the external force. In the flat range of amplitude-frequency characteristics, the sensitivity of the piezoelectric sensor can be improved by increasing the mass of the mechanical system, increasing the piezoelectric constant of the piezoelectric ceramic sheet, and reducing the stiffness coefficient of the mechanical system and the feedback capacitance of the measuring line.
c. Combined with static analysis and dynamic analysis, it is known that increasing the piezoelectric constant of the piezoelectric ceramic sheet can effectively improve the sensitivity of the piezoelectric sensor, and is also one of the most practical methods. This is because it is easier to increase the piezoelectric constant of the piezoelectric ceramic sheet by adjusting the chemical composition of the piezoelectric ceramic. Moreover, the piezoelectric ceramic sheet can increase the effective piezoelectric constant of the piezoelectric ceramic sheet by selecting a suitable vibration mode and a series-parallel combination.