Piezoefekt a piezoelektrický akustický senzor

Signály akustické emise šířící se v pevném prostředí obsahují charakteristické informace o zdrojích akustické emise. Aby bylo možné tyto informace použít k vyjádření materiálových charakteristik nebo vývoje vad, je nutné přijímat takové signály akustické emise na pevných površích. Signály akustické emise jsou přechodné signály náhodných vln s minimálním vertikálním posunem asi 10-7,10-14 metrů. Frekvence je distribuována v infrazvukovém až ultrazvukovém frekvenčním rozsahu (několik hertzů až desítek megahertzů). To vyžaduje, aby nástroje pro detekci akustické emise měly vysokou rychlost odezvy, vysokou citlivost, vysoký zisk, široký dynamický rozsah, silnou schopnost obnovy blokování a detekci frekvence piezo keramický disk krystal . lze zvolit Ve skutečném procesu detekce akustické emise jsou detekované signály často komplexními signály, které prošly mnoha odrazy a transformacemi tvaru vlny. Signály akustické emise jsou přijímány senzory a převáděny na elektrické signály. Senzory poskytují křivku frekvenční citlivosti podle specifické metody kalibrace. Na základě toho lze volit různé typy senzorů s různou frekvencí a citlivostí podle účelu a prostředí detekce.

Ultrazvukový senzor je vyroben na principu, že fyzikální vlastnosti určitých látek (jako jsou polovodiče, piezokeramika, piezoelektrické krystaly, feromagnetická tělesa a supravodiče) se mění s vnějším prostředím, které má být měřeno. Využívá mnoho efektů (včetně fyzikálních efektů, chemických efektů a biologických efektů) a fyzikálních jevů, jako je použití piezoelektrického odporu, citlivosti na vlhkost, citlivosti na teplo, citlivosti na světlo, magnetické citlivosti a citlivosti materiálů na plyn. Měří se posunutí, magnetické pole, plyn a převádí se na elektřinu. Objev a využití nových principů, nových efektů a vývoj a aplikace nových fyzikálních materiálů vedly k vývoji fyzikálních senzorů. Je tedy nutné porozumět různým efektům, na kterých jsou senzory založeny, a porozumět jim, rozvíjet je a aplikovat. V procesu detekce akustické emise se obvykle používá piezoelektrický jev.

Piezoelektrický jev je reverzibilní, což je obecný termín pro pozitivní a negativní piezoelektrické jevy. Pozitivní piezoelektrický jev je zvykem nazývat piezoelektrický jev.

Při určitých dielektrických materiálech Piezoelektrická keramika materiálu Pzt se deformuje vnější silou v určitém směru, na určitých površích dielektrického materiálu se generují kladné a záporné náboje různého znaménka. Po odstranění vnější síly se vrátí do nenabitého stavu. Tento jev se nazývá pozitivní piezoelektrický jev. Náboj generovaný dielektrickou silou je úměrný velikosti vnější síly. Koeficient úměrnosti je piezoelektrická konstanta, která souvisí se směrem mechanické deformace. Je konstantní pro určitý směr určitého materiálu. Polarita náboje generovaného dielektrickou silou závisí na formě deformace (komprese nebo prodloužení). Materiály s výraznými piezoelektrickými jevy se nazývají piezoelektrické materiály. Běžně se používají monokrystaly, jako jsou krystaly křemene, niobitan lithný LiNbO3, galát lithný LiGaO3, germanát vizmutitý Bi12GeO20 a polykrystaly, jako je titaničitan barnatý po polarizační úpravě. Elektrická piezokeramika, zirkoničitan titaničitý olovnatý série piezoelektrická keramika PZT. Mezi nové piezoelektrické materiály patří polymerní piezoelektrické filmy (jako je polyvinylidenfluorid PVDF) a piezoelektrické polovodiče (jako je ZnO, CdS). Piezoelektrický efekt monokrystalických materiálů je způsoben deformací vnitřní struktury meridiánů těchto monokrystalů, když jsou vystaveny vnějšímu namáhání, což způsobuje zničení původního makroskopicky neutrálního stavu a vede k polarizaci. Piezoelektrická keramika a polymerní piezoelektrické filmy po polarizaci (při určité teplotě působí silné elektrické pole) jsou výsledkem polarizace elektrických domén a elektrodových párů.

Piezoelektrické snímače jsou vyrobeny pomocí pozitivního piezoelektrického jevu převádějící neelektrickou energii jako je tlak, vibrace, zrychlení atd. elektrická energie se používá pro přesné měření.

Když je elektrické pole aplikováno ve směru polarizace dielektrika Piezokeramické prstencové součásti Pzt8 , některá dielektrika způsobí mechanickou deformaci nebo mechanické napětí v určitém směru. Po odstranění vnějšího elektrického pole zmizí i deformace nebo napětí. Tento fyzikální jev se nazývá inverzní piezoelektrický jev. S využitím inverzního piezoelektrického jevu lze vyrobit ultrazvukové generátory, piezoelektrické reproduktory, piezokrystalové oscilátory s vysoce stabilní frekvencí (jako jsou quartzové hodiny a hodinky s denní a noční chybou). Inverzní piezoelektrický jev lze využít pro generování signálu akustické emise. Vzhledem k tomu, že piezoelektrické konverzní prvky mají dvě důležité vlastnosti, samogenerující a reverzibilní, plus jejich malé rozměry, nízkou hmotnost, jednoduchou konstrukci, spolehlivý provoz, vysokou vlastní frekvenci, vysokou citlivost a vysoký odstup signálu od šumu, aplikace piezoelektrických senzorů se rychle rozvíjí. Různé generátory napětí, jako jsou piezoelektrické zdroje, plynové vařiče a samozapalovací zařízení pro automobilové motory vyvinuté pomocí pozitivního piezoelektrického jevu v testovací technologii, piezoelektrický konverzní prvek je typickým prvkem snímajícím sílu, který dokáže měřit konečnou proměnlivou .Fyzikální veličiny, které tvoří sílu, jako je tlak, zrychlení, mechanické rázy a vibrace, proto lze v širokém rozsahu akustických senzorů vidět použití piezoelektrických polí. lékařství a letectví. Důležitější je, že podle výsledků bio-piezoelektriky se uznává, že živé věci mají piezoelektriku a různé lidské smyslové orgány jsou vlastně bio-piezoelektrické senzory. Pokud je zlomenina ošetřena podle pozitivního piezoelektrického efektu, lze hojení urychlit; inverzní piezoelektrický efekt lze použít k napájení kostí ke korekci deformovaných kostí a dalších funkcí. Hlavní nevýhodou piezoelektrických konverzních prvků je, že nemají žádný statický výstup, což vyžaduje vysokou elektrickou výstupní impedanci, a vyžadují kabely s nízkou kapacitou a nízkou hlučností. Provozní teplota mnoha piezoelektrických materiálů je pouze asi 250 °C.