Даследаванне адчувальнасці кампанентаў п'езаэлектрычных керамічных пераўтваральнікаў

Дзякуючы п'езаэлектрычнаму эфекту п'езаэлектрычная кераміка можа непасрэдна пераўтвараць неэлектрычнасць у электрычнасць, а яе п'езаэлектрычную канстанту можна значна палепшыць шляхам карэкціроўкі складу кампазіцыі  або змены камбінацыі п'езакерамічных лістоў, тым самым эфектыўна паляпшаючы яе адчувальнасць. Такім чынам, эзаэлектрычная кераміка пераўтваральніка pi як адчувальныя элементы атрымліваюць усё больш увагі. Коратка прадстаўлены асноўны прынцып і склад п'езаэлектрычнага датчыка. Фактары, якія ўплываюць на адчувальнасць п'езаэлектрычнага датчыка, падрабязна абмяркоўваюцца ад статычных і дынамічных. На гэтай аснове атрыманы эфектыўны метад павышэння адчувальнасці.

Датчык - гэта прылада з функцыяй выяўлення, якое шырока выкарыстоўваецца ў прамысловасці, сельскай гаспадарцы, нацыянальнай абароне і медыцыне. Ён называецца «Электрычная пяцёрка», які выяўляе розныя неэлектрычныя велічыні шляхам мадэлявання функцый рысаў твару чалавека . п'езакруглы дыскавы пераўтваральнік з п'езаэлектрычным эфектам - адзін з PZTматэрыялаў для вырабу датчыкаў. П'езаэлектрычныя датчыкі, з якімі знаёмыя, уключаюць п'езаэлектрычныя акселерометры, п'езаэлектрычныя гіраскопы, п'езаэлектрычныя манометры і гальванометры. З развіццём тэхналогій нарадзілася шмат новых датчыкаў, і прадукцыйнасць існуючых датчыкаў таксама была палепшана. Адчувальнасць - важны паказчык датчыка. Наступныя фактары абмяркоўваюць фактары, якія ўплываюць на адчувальнасць датчыка са  статычнага і дынамічнага аспектаў.

Асноўныя  прынцыпы і  склад эзаэлектрычных  - гэта прылады )  керамічных датчыкаў , якія выкарыстоўваюць п'езаэлектрычныя эфекты п'езаэлектрычных керамічных лістоў для пераўтварэння напружання (або дэфармацыі  sу напружанне (або зарад), а затым узмацняюць і выводзяць іх праз узмацняльнік. П'езаэлектрычныя керамічныя лісты з'яўляюцца ключавымі кампанентамі. З пункту гледжання пераўтварэння сігналу п'езаэлектрычныя керамічныя лісты эквівалентныя генератару зарада.

П'езакерамічны датчык складаецца з механічнай сістэмы, якая перадае знешнія сілы на п'езаэлектрычны керамічны ліст, п'езаэлектрычны керамічны ліст і вымяральную схему, якая перадае электрычны зарад на лічыльнік. Механічная сістэма ўяўляе сабой кранштэйны для ўстаноўкі і фіксацыі п'езаэлектрычнага керамічнага ліста. Сістэма знаходзіцца ў непасрэдным кантакце са знешнім светам, і пры ўздзеянні знешняй сілы кранштэйн і п'езаэлектрычны керамічны ліст дэфармуюцца разам. П'езаэлектрычны керамічны ліст стварае выхад зарада шляхам дэфармацыі. Лінія вымярэння ўзмацняе зарад і ператварае яго ў выхад напружання.

2 Фактары, якія ўплываюць на адчувальнасць п'езаэлектрычнага датчыка

Адчувальнасць а п'езаэлектрычны дыскавы пераўтваральнік  - гэта стаўленне невялікага прырашчэння выхаду да невялікага прырашчэння адпаведнага ўваходу. Чым больш каэфіцыент, тым вышэй адчувальнасць. Адчувальнасць п'езаэлектрычнага датчыка звязана з адчувальнасцю трох частак, якія яго складаюць. Паколькі тры часткі злучаны паслядоўна, адчувальнасць п'езаэлектрычнага датчыка памнажаецца на адчувальнасць трох частак. Наступны аналіз выконваецца са статычнага і дынамічнага адпаведна. 

2.1 Статычны аналіз
Статычны аналіз адносіцца да аналізу ўзаемасувязі паміж уваходам і выхадам датчыка ў стацыянарных умовах. Выхадная зменная з'яўляецца толькі функцыяй уваходнай зменнай, г.зн. y=f(x), а яе адчувальнасць роўная dy.

(1) Паколькі існуе простая лінейная залежнасць паміж S і F, Q і S, U і Q у статычных умовах, яе можна змяніць на U0=CijdijA, дзе Cij — эквівалентны каэфіцыент пругкай падатлівасці механічнай сістэмы; Dij - эквівалентная п'езаэлектрычная пастаянная п'езаэлектрычнай керамікі; А — каэфіцыент узмацнення вымяральнай лініі; ніжні індэкс ij уяўляе адпаведна кірунак сілы і кірунак дэфармацыі. Для павышэння адчувальнасці п'езаэлектрычнага датчыка эфектыўна павялічыць значэнне аднаго або некалькіх фактараў. Сярод іх патэнцыял для павелічэння значэння п'езаэлектрычнай сталасці п'езаэлектрычнага керамічнага ліста найбольшы, і п'езаэлектрычная пастаянная можа быць павялічана шляхам карэкціроўкі рэцэптуры п'езаэлектрычнай керамікі, а п'езаэлектрычнасць можа быць палепшана паслядоўна-паралельнай камбінацыяй п'езаэлектрычных керамічных лістоў. Такія канстанты, як паралельнае злучэнне п'езаэлектрычных керамічных лістоў, падвойваюць адчувальнасць да зарада. Акрамя таго, належны выбар электрычных умоў п'езаэлектрычнага керамічнага ліста таксама можа павялічыць значэнне п'езаэлектрычнай пастаяннай, напрыклад, п'езаэлектрычная кераміка ў стане электрычнага гранічнага кароткага замыкання больш, чым эквівалентная п'езаэлектрычная пастаянная адкрытага стану. Для п'езаэлектрычнай керамікі рэжым вібрацыі адрозніваецца, п'езаэлектрычная пастаянная таксама адрозніваецца, а тангенцыяльная п'езаэлектрычная пастаянная (d15) большая, чым п'езаэлектрычная пастаянная таўшчыні (d33) і радыяльная п'езаэлектрычная пастаянная (d31). Дадзеныя п'езаэлектрычнай пастаяннай п'езаэлектрычнай керамікі PZT4. Адчувальнасць электрычнага датчыка звязана з адчувальнасцю трох кампанентаў, якія яго складаюць. Паколькі тры кампаненты злучаны паслядоўна, адчувальнасць п'езаэлектрычнага датчыка памнажаецца на адчувальнасць трох кампанентаў. Наступны аналіз выконваецца са статычнага і дынамічнага адпаведна.

2.1 Статычны аналіз
Статычны аналіз адносіцца да аналізу ўзаемасувязі паміж уваходам і выхадам датчыка ў стацыянарных умовах. Выхадная зменная з'яўляецца толькі функцыяй уваходнай зменнай, г.зн. y=f(x), а яе адчувальнасць роўная dy. Адчувальнасць датчыка заключаецца ў тым, што, паколькі існуе простая лінейная залежнасць паміж S і F, Q і S, U і Q у статычных умовах, ураўненне (1) можа быць зменена на U0=CijdijA(2), дзе Cij — гэта механічны каэфіцыент эквівалентнай пругкай падатлівасці сістэмы; dij - эквівалентная п'езаэлектрычная пастаянная пейзаэлектрычны дыскавы керамічны пераўтваральнік

; А — каэфіцыент узмацнення вымяральнай лініі; ніжні індэкс ij уяўляе адпаведна кірунак сілы і кірунак дэфармацыі. Для павышэння адчувальнасці п'езаэлектрычнага датчыка эфектыўна павялічыць значэнне аднаго або некалькіх фактараў. Сярод іх патэнцыял для павелічэння значэння п'езаэлектрычнай сталасці п'езаэлектрычнага керамічнага ліста найбольшы, і п'езаэлектрычную канстанту можна павялічыць шляхам карэкціроўкі складу п'езаэлектрычнай керамікі, а п'езаэлектрычнасць можна палепшыць паслядоўна-паралельнай камбінацыяй п'езаэлектрычных керамічных лістоў. Такія канстанты, як паралельнае злучэнне п'езаэлектрычных керамічных лістоў, падвойваюць адчувальнасць да зарада. Акрамя таго, належны выбар электрычных умоў п'езаэлектрычнага керамічнага ліста таксама можа павялічыць значэнне п'езаэлектрычнай пастаяннай, напрыклад, п'езаэлектрычная кераміка ў стане электрычнага гранічнага кароткага замыкання больш, чым эквівалентная п'езаэлектрычная пастаянная адкрытага стану. Для п'езаэлектрычнай керамікі рэжым вібрацыі адрозніваецца, п'езаэлектрычная пастаянная таксама адрозніваецца, а тангенцыяльная п'езаэлектрычная пастаянная (d15) большая, чым п'езаэлектрычная пастаянная таўшчыні (d33) і радыяльная п'езаэлектрычная пастаянная (d31). Ён паказвае бесперапынны сігнал п'езаэлектрычных канстантных дадзеных п'езаэлектрычнай керамікі PZT-4, які таксама можа быць імпульсным сігналам або перыядычным уваходам. У гэты момант выходныя характарыстыкі датчыка больш не знаходзяцца ў стацыянарным стане, але адбываецца пераходная характарыстыка, гэта значыць, сувязь паміж выхадам і ўваходам будзе функцыяй часу. Дынамічныя характарыстыкі датчыка звычайна аналізуюцца з дапамогай амплітудна-частотных характарыстык. Спачатку разглядаюцца амплітудна-частотныя характарыстыкі механічнай сістэмы п'езаэлектрычнага датчыка. Механічная сістэма звычайна класіфікуецца як сістэма другога парадку з адной ступенню свабоды. Адносіны амплітуды і частоты разлічваюцца як X0=sqrt(K/m) як уласная частата сістэмы. Дзе K - каэфіцыент калянасці сістэмы, m - маса сістэмы; N - адносны каэфіцыент згасання. З ураўнення можна даведацца, што для пэўнага значэння N, X/X0 знаходзіцца ў інтэрвале [0, 2/(1+4N2, ûH(jX)û з'яўляецца канстантай, а памер роўны 1/X20, які з'яўляецца верхняй мяжой максімальнай частаты сістэмы. Гэта 2X0/(1+4N2). Што тычыцца дынамічнага аналізу п'езаэлектрычных керамічных лістоў, для зручнасці Прыблізна можна выказаць здагадку, што яго амплітудна-частотная характарыстыка з'яўляецца пастаяннай у даволі шырокім дыяпазоне частот, і, нарэшце, абмяркоўваюцца амплітудна-частотныя характарыстыкі лініі вымярэння, Ri - гэта каэфіцыент узмацнення ўзмацняльніка У выпадку, калі павелічэнне дастаткова вялікае, амплітудна-частотная характарыстыка лініі вымярэння з'яўляецца плоскай, гэта значыць Xm1/RfCf. Такім чынам, калі частата змены знешняй сілы знаходзіцца ў дыяпазоне.

Адчувальнасць п'езаэлектрычнага керамічнага датчыка вядома з прыведзенага вышэй абмеркавання. У дынамічных умовах, калі частата знешняй сілы знаходзіцца ў межах дыяпазону, адчувальнасць п'езаэлектрычнага керамічнага датчыка выяўляецца як дынамічная, і п'езаэлектрычны керамічны ліст паляпшаецца за кошт зніжэння ўласнай частаты механічнай сістэмы. П'езаэлектрычная пастаянная і метад памяншэння ёмістасці зваротнай сувязі вымяральнай лініі могуць палепшыць адчувальнасць п'езаэлектрычнага датчыка.

а. Згодна са статычным аналізам, каб палепшыць адчувальнасць п'езаэлектрычнага датчыка, можна палепшыць адчувальнасць кожнага кампанента, гэта значыць палепшыць каэфіцыент пругкай падатлівасці механічнай сістэмы, эквівалентную п'езаэлектрычную канстанту п'езаэлектрычнага керамічнага элемента і каэфіцыент узмацнення вымяральнай лініі. Сярод іх патэнцыял для павелічэння п'езаэлектрычнай пастаяннай п'езаэлектрычнага керамічнага ліста з'яўляецца найбольшым.
б. Згодна з дынамічным аналізам, адчувальнасць п'езаэлектрычнага датчыка варта разглядаць у спалучэнні з частатой змены знешняй сілы. У плоскім дыяпазоне амплітудна-частотных характарыстык адчувальнасць п'езаэлектрычнага датчыка можна палепшыць за кошт павелічэння масы механічнай сістэмы, павелічэння п'езаэлектрычнай сталай п'езаэлектрычнага керамічнага ліста і памяншэння каэфіцыента калянасці механічнай сістэмы і ёмістасці зваротнай сувязі вымяральнай лініі.
в. У спалучэнні са статычным аналізам і дынамічным аналізам вядома, што павелічэнне п'езаэлектрычнай канстанты п'езаэлектрычнага керамічнага ліста можа эфектыўна палепшыць адчувальнасць п'езаэлектрычнага датчыка, а таксама з'яўляецца адным з найбольш практычных метадаў. Гэта адбываецца таму, што лягчэй павялічыць п'езаэлектрычную канстанту п'езаэлектрычнага керамічнага ліста шляхам рэгулявання хімічнага складу п'езаэлектрычнай керамікі. Больш за тое, п'езаэлектрычны керамічны ліст можа павялічыць эфектыўную п'езаэлектрычную канстанту п'езаэлектрычнага керамічнага ліста шляхам выбару падыходнага рэжыму вібрацыі і паслядоўна-паралельнай камбінацыі.