تأثير بيزو ومستشعر صوتي كهرضغطية

تنتشر إشارات الانبعاث الصوتي في الوسائط الصلبة وتحتوي على معلومات مميزة عن مصادر الانبعاث الصوتي. لاستخدام هذه المعلومات لتعكس خصائص المواد أو تطور العيوب، من الضروري استقبال إشارات الانبعاث الصوتي هذه على الأسطح الصلبة. إشارات البث الصوتي هي إشارات موجية عشوائية عابرة ذات إزاحة رأسية لا تقل عن 10-7,10-14 مترًا. يتم توزيع التردد في نطاق الترددات دون الصوتية إلى الموجات فوق الصوتية (عدة هيرتز إلى عشرات ميغاهيرتز). وهذا يتطلب أن تتمتع أدوات الكشف عن الانبعاثات الصوتية بسرعة استجابة عالية، وحساسية عالية، وكسب مرتفع، ونطاق ديناميكي واسع، وقدرة قوية على استعادة الحجب، واكتشاف تردد قرص سيراميك بيزو . يمكن اختيار في عملية الكشف عن الانبعاثات الصوتية الفعلية، غالبًا ما تكون الإشارات المكتشفة عبارة عن إشارات معقدة خضعت لانعكاسات متعددة وتحولات موجية. يتم استقبال إشارات الانبعاث الصوتي بواسطة أجهزة الاستشعار وتحويلها إلى إشارات كهربائية. تعطي المستشعرات منحنى حساسية التردد وفق طريقة معايرة محددة. وبناء على ذلك يمكن اختيار أنواع مختلفة من أجهزة الاستشعار بترددات وحساسيات مختلفة حسب غرض وبيئة الكشف.

يتم تصنيع جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية على أساس مبدأ أن الخصائص الفيزيائية لبعض المواد (مثل أشباه الموصلات، والسيراميك الانضغاطي، والبلورات الكهرضغطية، والأجسام المغناطيسية، والموصلات الفائقة) تتغير مع الخارج المراد قياسه. ويستخدم العديد من التأثيرات (بما في ذلك التأثيرات الفيزيائية، والتأثيرات الكيميائية، والتأثيرات البيولوجية) والظواهر الفيزيائية، مثل استخدام مقاومة الضغط الانضغاطي، وحساسية الرطوبة، وحساسية الحرارة، وحساسية الضوء، والحساسية المغناطيسية، وحساسية الغاز للمواد. يتم قياس الإزاحة والمجال المغناطيسي والغاز وتحويله إلى كهرباء. أدى اكتشاف واستخدام مبادئ جديدة وتأثيرات جديدة وتطوير وتطبيق مواد فيزيائية جديدة إلى تطوير أجهزة الاستشعار المادية. ولذلك من الضروري فهم التأثيرات المختلفة التي تقوم عليها أجهزة الاستشعار وفهمها وتطويرها وتطبيقها. في عملية الكشف عن الانبعاثات الصوتية، عادة ما يتم استخدام التأثير الكهرضغطي.

التأثير الكهرضغطي قابل للعكس، وهو مصطلح عام للتأثيرات الكهرضغطية الإيجابية والسلبية. من المعتاد أن نطلق على التأثير الكهرضغطي الإيجابي تأثير كهرضغطية.

عندما تكون بعض المواد العازلة مادة Pzt السيراميك الكهروضغطي تتشوه بالقوة الخارجية في اتجاه معين، وتتولد شحنات موجبة وسالبة ذات علامات مختلفة على أسطح معينة من المادة العازلة. وبعد إزالة القوة الخارجية، تعود إلى حالة عدم الشحن. وتسمى هذه الظاهرة التأثير الكهروإجهادي الإيجابي. تتناسب الشحنة الناتجة عن القوة العازلة مع حجم القوة الخارجية. معامل التناسب هو ثابت كهرضغطية، ويرتبط باتجاه التشوه الميكانيكي. إنه ثابت لاتجاه معين لمادة معينة. تعتمد قطبية الشحنة الناتجة عن القوة العازلة على شكل التشوه (الضغط أو الاستطالة). تسمى المواد ذات التأثيرات الكهرضغطية الكبيرة بالمواد الكهرضغطية. تُستخدم بشكل شائع البلورات المفردة مثل بلورات الكوارتز، ونيوبات الليثيوم LiNbO3، وجالات الليثيوم LiGaO3، وجرمانات البزموت Bi12GeO20، والبلورات المتعددة مثل تيتانات الباريوم بعد معالجة الاستقطاب. سيراميك بيزو كهربائي، سلسلة تيتانات زركون الرصاص سيراميك كهرضغطية PZT. تشتمل المواد الكهرضغطية الجديدة على أفلام كهرضغطية بوليمرية (مثل فلوريد البولي فينيلدين PVDF) وأشباه الموصلات الكهرضغطية (مثل ZnO وCdS). يرجع التأثير الكهروضغطي للمواد البلورية المفردة إلى تشوه هيكل الزوال الداخلي لهذه البلورات المفردة عند تعرضها لضغط خارجي، مما يتسبب في تدمير الحالة المحايدة الأصلية مجهريًا ويؤدي إلى الاستقطاب. السيراميك الكهرضغطي والأفلام الكهرضغطية البوليمرية بعد الاستقطاب (يتم تطبيق مجال كهربائي قوي عند درجة حرارة معينة) هي نتيجة استقطاب المجالات الكهربائية وأزواج الأقطاب الكهربائية.

يتم تصنيع أجهزة الاستشعار الكهرضغطية باستخدام التأثير الكهرضغطي الإيجابي لتحويل الطاقة غير الكهربائية مثل الضغط والاهتزاز والتسارع وما إلى ذلك. ويتم استخدام الطاقة الكهربائية للقياس الدقيق.

عند تطبيق مجال كهربائي في اتجاه الاستقطاب العازل مكونات الحلقة الخزفية Pzt8 ، ستنتج بعض المواد العازلة تشوهًا ميكانيكيًا أو إجهادًا ميكانيكيًا في اتجاه معين. عند إزالة المجال الكهربائي الخارجي، يختفي التشوه أو الإجهاد أيضًا. وتسمى هذه الظاهرة الفيزيائية بالتأثير الكهروضغطي العكسي. يمكن الاستفادة من التأثير الكهرضغطي العكسي في مولدات الموجات فوق الصوتية، ومكبرات الصوت الكهرضغطية، ومذبذبات الكريستال الانضغاطية ذات التردد المستقر للغاية (مثل ساعات الكوارتز والساعات التي بها خطأ ليلا ونهارا). يمكن استخدام التأثير الكهرضغطي العكسي لتوليد إشارة الانبعاث الصوتي. نظرًا لأن عناصر التحويل الكهرضغطية لها خاصيتان مهمتان للتوليد الذاتي والعكس، بالإضافة إلى صغر حجمها ووزنها الخفيف وبنيتها البسيطة وتشغيلها الموثوق بها وترددها الطبيعي العالي وحساسيتها العالية ونسبة الإشارة إلى الضوضاء العالية، فإن تطبيق أجهزة الاستشعار الكهرضغطية يتطور بسرعة. تم تطوير مجموعة متنوعة من مولدات الجهد مثل إمدادات الطاقة الكهروضغطية، ومواقد الغاز، وأجهزة الإشعال الذاتي لمحركات السيارات باستخدام التأثير الكهرضغطي الإيجابي في تكنولوجيا الاختبار، وعنصر التحويل الكهرضغطي هو عنصر استشعار نموذجي للقوة، والذي يمكنه قياس القوة النهائية المتغيرة. تلك الكميات الفيزيائية التي تشكل قوة، مثل الضغط والتسارع والصدمة الميكانيكية والاهتزاز، لذلك، يمكن رؤية تطبيق أجهزة الاستشعار الكهرضغطية في مجموعة واسعة من المجالات مثل الصوتيات والميكانيكا والطب و الفضاء الجوي. ما هو أكثر أهمية هو أنه وفقا لنتائج الكهرباء الانضغاطية الحيوية، فمن المسلم به أن الكائنات الحية لديها كهرباء انضغاطية، والعديد من أعضاء الحس البشرية هي في الواقع أجهزة استشعار حيوية كهرضغطية. إذا تم علاج الكسر وفقًا للتأثير الكهرضغطي الإيجابي، فيمكن تسريع عملية الشفاء؛ يمكن استخدام التأثير الكهرضغطي العكسي لتزويد العظام بالطاقة لتصحيح العظام المشوهة وغيرها من الوظائف. العيب الرئيسي لعناصر التحويل الكهرضغطية هو أنها لا تحتوي على خرج ثابت، مما يتطلب ممانعة خرج كهربائي عالية، وتتطلب سعة منخفضة وكابلات منخفضة الضوضاء. تبلغ درجة حرارة التشغيل للعديد من المواد الكهرضغطية حوالي 250 درجة مئوية فقط.