بحث عن حساسية مكونات محولات الطاقة الخزفية الكهرضغطية

بسبب التأثير الكهرضغطي، يمكن للسيراميك الكهرضغطي تحويل غير الكهرباء مباشرة إلى كهرباء، ويمكن تحسين ثابته الكهرضغطي بشكل كبير عن طريق ضبط تركيبة التركيب  أو تغيير مجموعة صفائح السيراميك الانضغاطي، وبالتالي تحسين حساسيته بشكل فعال. لذلك، فإن السيراميك الكهروإجهادي لمحول الطاقة كعناصر حساسة تحظى باهتمام متزايد. تم تقديم المبدأ الأساسي وتكوين المستشعر الكهرضغطي بإيجاز. تمت مناقشة العوامل التي تؤثر على حساسية المستشعر الكهرضغطي بالتفصيل من الساكنة والديناميكية. وعلى هذا الأساس يتم الحصول على طريقة فعالة لتحسين الحساسية.

المستشعر هو جهاز ذو وظيفة كشف يستخدم على نطاق واسع في مجالات الصناعة والزراعة والدفاع الوطني والطب. ويطلق عليه اسم 'الكهرباء الخمسة' وهو يقوم بكشف الكميات غير الكهربائية المختلفة من خلال محاكاة وظائف ملامح وجه الإنسان . يعد محول الطاقة ذو القرص الانضغاطي ذو التأثير الكهرضغطي أحد مواد PZT المستخدمة في صنع أجهزة الاستشعار. تشتمل المستشعرات الكهرضغطية المألوفة على مقاييس التسارع الكهرضغطية، والجيروسكوبات الكهرضغطية، وأجهزة قياس الضغط الكهرضغطية، والجلفانومتر. مع تقدم التكنولوجيا، تم إنشاء العديد من أجهزة الاستشعار الجديدة، كما تم تحسين أداء أجهزة الاستشعار الحالية. الحساسية هي مؤشر مهم للمستشعر. تناقش العوامل التالية العوامل التي تؤثر على حساسية المستشعر من  الجوانب الثابتة والديناميكية.

الأساسية  المبادئ وتركيب  المستشعرات الخزفية  الكهرضغطية هي أجهزة تستخدم التأثيرات الكهرضغطية لصفائح السيراميك الكهرضغطية لتحويل الإجهاد (أو الانفعال) إلى  جهد .  s(أو شحنة) ثم تضخيمها وإخراجها من خلال مكبر للصوت تعتبر صفائح السيراميك الكهرضغطية هي المكونات الرئيسية. من منظور تحويل الإشارة، تعادل صفائح السيراميك الكهرضغطية مولد الشحن. يتكون مستشعر السيراميك

الانضغاطي من نظام ميكانيكي ينقل القوة الخارجية إلى لوح السيراميك الكهرضغطي، وصفيحة سيراميك كهربائية انضغاطية، ودائرة قياس تنقل الشحنة الكهربائية إلى جهاز القياس. النظام الميكانيكي عبارة عن جزء قوسي لتركيب وتثبيت لوح السيراميك الكهرضغطي. يكون النظام على اتصال مباشر بالعالم الخارجي، وعندما يتعرض لقوة خارجية، يتشوه الدعامة ولوحة السيراميك الكهرضغطية معًا. تولد صفيحة السيراميك الكهرضغطية خرج شحنة عن طريق التشوه. يقوم خط القياس بتضخيم الشحنة وتحويلها إلى خرج جهد.

2 العوامل المؤثرة على حساسية المستشعر الكهرضغطي

حساسية أ محول الطاقة للأقراص الكهرضغطية  هو نسبة الزيادة الصغيرة في الخرج إلى الزيادة الصغيرة في المدخلات المقابلة. كلما زادت النسبة، زادت الحساسية. ترتبط حساسية المستشعر الكهرضغطي بحساسية الأجزاء الثلاثة المكونة له. وبما أن الأجزاء الثلاثة متصلة على التوالي، فإن حساسية المستشعر الكهرضغطي تتضاعف بحساسية الأجزاء الثلاثة. يتم إجراء التحليل التالي من ثابت وديناميكي على التوالي. 

2.1 التحليل الثابت
يشير التحليل الثابت إلى تحليل العلاقة بين مدخلات ومخرجات المستشعر في ظل ظروف الحالة المستقرة. متغير الإخراج هو مجرد وظيفة لمتغير الإدخال، أي y=f(x)، وحساسيته هي dy.

(1) نظرًا لوجود علاقة خطية بسيطة بين S وF وQ وS وU وQ في ظل ظروف ثابتة، يمكن تغييرها إلى U0=CijdijA، حيث Cij هو معامل الامتثال المرن المكافئ للنظام الميكانيكي؛ Dij هو الثابت الكهرضغطي المكافئ للسيراميك الكهرضغطي؛ A هو عامل التضخيم لخط القياس؛ يمثل الحرف ij اتجاه القوة واتجاه التشوه، على التوالي. من أجل زيادة حساسية المستشعر الكهرضغطي، من الفعال زيادة قيمة عامل أو أكثر. من بينها، تكون إمكانية زيادة القيمة الثابتة الكهرضغطية لصفائح السيراميك الكهرضغطية هي الأكبر، ويمكن زيادة ثابت الكهرضغطية عن طريق ضبط تركيبة السيراميك الكهرضغطية، ويمكن تحسين الكهرضغطية من خلال مجموعة متوازية من صفائح السيراميك الكهرضغطية. الثوابت، مثل التوصيل المتوازي لصفائح السيراميك الكهرضغطية، تضاعف حساسية الشحن. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي الاختيار الصحيح للظروف الكهربائية للوحة السيراميك الكهرضغطية أيضًا إلى زيادة قيمة ثابت الكهرضغطية، مثل أن يكون السيراميك الكهروضغطي في حالة ماس كهربائى للحدود الكهربائية أكبر من ثابت الكهرضغطية المكافئ للحالة المفتوحة. بالنسبة للسيراميك الكهرضغطي، يكون وضع الاهتزاز مختلفًا، والثابت الكهرضغطي مختلف أيضًا، والثابت الكهرضغطي العرضي (d15) أكبر من ثابت الكهرضغطية السماكة (d33) والثابت الكهرضغطي الشعاعي (d31). البيانات الثابتة الكهرضغطية للسيراميك الكهرضغطي PZT4. ترتبط حساسية المستشعر الكهربائي بحساسية المكونات الثلاثة المكونة له. وبما أن المكونات الثلاثة متصلة على التوالي، فإن حساسية المستشعر الكهرضغطي تتضاعف بحساسية المكونات الثلاثة. يتم إجراء التحليل التالي من ثابت وديناميكي على التوالي.

2.1 التحليل الثابت
يشير التحليل الثابت إلى تحليل العلاقة بين مدخلات ومخرجات المستشعر في ظل ظروف الحالة المستقرة. متغير الإخراج هو مجرد وظيفة لمتغير الإدخال، أي y=f(x)، وحساسيته هي dy. حساسية المستشعر هي أنه بسبب وجود علاقة خطية بسيطة بين S وF وQ وS وU وQ في ظل ظروف ثابتة، ويمكن تغيير المعادلة (1) إلى U0=CijdijA(2) حيث Cij هي الميكانيكا معامل الامتثال المرن المكافئ للنظام؛ dij هو الثابت الكهرضغطي المكافئ لـ أقراص كهرضغطية محول السيراميك

; A هو عامل التضخيم لخط القياس؛ يمثل الحرف ij اتجاه القوة واتجاه التشوه، على التوالي. من أجل زيادة حساسية المستشعر الكهرضغطي، من الفعال زيادة قيمة عامل أو أكثر. من بينها، فإن إمكانية زيادة القيمة الثابتة الكهرضغطية لصفائح السيراميك الكهرضغطية هي الأكبر، ويمكن زيادة ثابت الكهرضغطية عن طريق ضبط تركيبة السيراميك الكهرضغطية، ويمكن تحسين الكهرضغطية من خلال مجموعة متوازية من صفائح السيراميك الكهرضغطية. الثوابت، مثل التوصيل المتوازي لصفائح السيراميك الكهرضغطية، تضاعف حساسية الشحن. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي الاختيار الصحيح للظروف الكهربائية للوحة السيراميك الكهرضغطية أيضًا إلى زيادة قيمة ثابت الكهرضغطية، مثل أن يكون السيراميك الكهروضغطي في حالة ماس كهربائى للحدود الكهربائية أكبر من ثابت الكهرضغطية المكافئ للحالة المفتوحة. بالنسبة للسيراميك الكهرضغطي، يكون وضع الاهتزاز مختلفًا، والثابت الكهرضغطي مختلف أيضًا، والثابت الكهرضغطي العرضي (d15) أكبر من ثابت الكهرضغطية السماكة (d33) والثابت الكهرضغطي الشعاعي (d31). إنه يُظهر الإشارة المستمرة للبيانات الكهرضغطية المستمرة للسيراميك الكهرضغطي PZT-4، والتي قد تكون أيضًا إشارات نبضية، أو مدخلات دورية. في هذه المرحلة، لم تعد خصائص الإخراج للمستشعر في حالة مستقرة، ولكن تحدث خاصية انتقال عابر، أي أن العلاقة بين الإخراج والمدخل ستكون دالة للوقت. عادةً ما يتم تحليل الخصائص الديناميكية للمستشعر باستخدام خصائص التردد والسعة. أولاً، تمت مناقشة خصائص السعة والتردد للنظام الميكانيكي للمستشعر الكهرضغطي. يتم تصنيف النظام الميكانيكي عمومًا إلى نظام من الدرجة الثانية بدرجة واحدة من الحرية. يتم حساب العلاقة بين السعة والتردد على أنها X0=sqrt(K/m) باعتبارها التردد الطبيعي للنظام. حيث K هو معامل صلابة النظام، وm هو كتلة النظام؛ N هو معامل التخميد النسبي. يمكن معرفة من المعادلة أنه بالنسبة لقيمة معينة من N، فإن X/X0 يقع في الفترة [0, 2/(1+4N2, ûH(jX)û ثابت، والحجم يساوي 1/X20، وهو الحد الأعلى للتردد الأقصى للنظام. إنه 2X0/(1+4N2). فيما يتعلق بالتحليل الديناميكي لألواح السيراميك الكهرضغطية، لتسهيل المناقشة، يمكن تقريب أن خصائص تردد السعة ثابتة على مدى تردد واسع إلى حد ما، وdef مكافئ في ثابت الكهرضغطية. أخيرًا، تمت مناقشة خصائص تردد السعة لخط القياس. مع أخذ مضخم الشحن كمثال، فإن Ri هي مقاومة الإدخال لخط القياس؛ A هي عامل التضخيم للمكبر؛ Rf وCf هما مقاومة التغذية المرتدة وسعة التغذية المرتدة، على التوالي يكون خط القياس مسطحًا عند حساب العلاقة بين السعة والتردد التالية، أي Xm1/RfCf باختصار، عندما يكون تردد تباين القوة الخارجية ضمن النطاق. تكون خاصية السعة والتردد الخاصة بمستشعر كهرضغطية مسطحة.

إن حساسية مستشعر السيراميك الكهرضغطي معروفة من المناقشة أعلاه. في ظل الظروف الديناميكية، عندما يكون تردد القوة الخارجية ضمن النطاق، يتم التعبير عن حساسية مستشعر السيراميك الكهرضغطي على أنها ديناميكية، ويتم تحسين لوح السيراميك الكهرضغطي عن طريق خفض التردد الطبيعي للنظام الميكانيكي. يمكن للثابت الكهرضغطي وطريقة تقليل سعة التغذية المرتدة لخط القياس تحسين حساسية المستشعر الكهرضغطي.

أ. وفقًا للتحليل الثابت، لتحسين حساسية المستشعر الكهرضغطي، يمكن تحسين حساسية كل مكون، أي معامل الامتثال المرن للنظام الميكانيكي، والثابت الكهرضغطي المكافئ للقطعة الخزفية الكهرضغطية، وعامل التضخيم لخط القياس. من بينها، تعد إمكانية زيادة الثابت الكهرضغطي لصفائح السيراميك الكهرضغطية هي الأكبر.
ب. وفقا للتحليل الديناميكي، ينبغي النظر في حساسية المستشعر الكهرضغطي مع تكرار تغير القوة الخارجية. في النطاق المسطح لخصائص السعة والتردد، يمكن تحسين حساسية المستشعر الكهرضغطي عن طريق زيادة كتلة النظام الميكانيكي، وزيادة ثابت الكهرضغطية لصفيحة السيراميك الكهرضغطية، وتقليل معامل صلابة النظام الميكانيكي وسعة التغذية المرتدة لخط القياس.
ج. بالاقتران مع التحليل الساكن والتحليل الديناميكي، من المعروف أن زيادة ثابت الكهرضغطية للوحة السيراميك الكهرضغطية يمكن أن يحسن بشكل فعال حساسية المستشعر الكهرضغطي، وهو أيضًا أحد أكثر الطرق العملية. وذلك لأنه من الأسهل زيادة الثابت الكهرضغطي لصفيحة السيراميك الكهرضغطية عن طريق ضبط التركيب الكيميائي للسيراميك الكهرضغطي. علاوة على ذلك، يمكن للوح السيراميك الكهرضغطي أن يزيد من الثابت الفعال الكهرضغطي لصفيحة السيراميك الكهرضغطية عن طريق اختيار وضع اهتزاز مناسب ومجموعة متوازية متسلسلة.