Výzkum citlivosti piezoelektrických keramických součástí měniče

Piezoelektrická keramika může díky piezoelektrickému efektu přímo přeměňovat neelektřinu na elektřinu a její piezoelektrickou konstantu lze výrazně zlepšit úpravou složení kompozice  nebo změnou kombinace piezokeramických plátů, čímž se účinně zlepší její citlivost. Proto se ezoelektrické keramice snímače jako citlivým prvkům dostává stále větší pozornosti. Stručně je představen základní princip a složení piezoelektrického snímače. Faktory ovlivňující citlivost piezoelektrického snímače jsou podrobně diskutovány ze statického a dynamického hlediska. Na tomto základě je získána účinná metoda pro zlepšení citlivosti.

Senzor je zařízení s detekční funkcí široce používané v oblasti průmyslu, zemědělství, národní obrany a lékařství. Jmenuje se 'Electric Five', která detekuje různé neelektrické veličiny simulací funkcí lidských obličejových rysů . piezo kulatý kotoučový měnič s piezoelektrickým efektem jsou jedním z PZTmateriálů pro výrobu snímačů. Mezi piezoelektrické senzory, které jsou známé, patří piezoelektrické akcelerometry, piezoelektrické gyroskopy, piezoelektrické tlakoměry a galvanometry. S pokrokem technologie se zrodilo mnoho nových senzorů a zlepšil se také výkon stávajících senzorů. Citlivost je důležitým ukazatelem snímače. Následující faktory pojednávají o faktorech ovlivňujících citlivost snímače ze  statických i dynamických aspektů.

Základní  principy a  složení senzorů jsou zařízení  piezoelektrických )  keramických , která využívají piezoelektrické efekty piezoelektrických keramických desek k přeměně napětí (nebo deformace  sna napětí (nebo náboj) a poté je zesilují a vydávají přes zesilovač. Klíčovými součástmi jsou piezoelektrické keramické desky. Z hlediska převodu signálu jsou piezoelektrické keramické desky ekvivalentní generátoru náboje.

Piezokeramický snímač se skládá z mechanického systému, který přenáší vnější sílu na piezoelektrickou keramickou desku, piezoelektrické keramické desky a měřicího obvodu, který přenáší elektrický náboj do měřiče. Mechanickým systémem je konzolová část pro montáž a upevnění piezoelektrické keramické desky. Systém je v přímém kontaktu s vnějším světem a při vystavení vnější síle se konzola a piezoelektrická keramická deska společně deformují. Piezoelektrická keramická deska generuje výstup náboje deformací. Měřicí vedení zesiluje náboj a převádí jej na napěťový výstup.

2 Faktory ovlivňující citlivost piezoelektrického snímače

Citlivost a piezoelektrický diskový měnič  je poměr malého přírůstku výstupu k malému přírůstku odpovídajícího vstupu. Čím větší poměr, tím vyšší citlivost. Citlivost piezoelektrického snímače souvisí s citlivostí tří částí, které jej tvoří. Protože jsou tři části zapojeny do série, citlivost piezoelektrického snímače se násobí citlivostí tří částí. Následující analýza je provedena ze statického a dynamického. 

2.1 Statická analýza
Statická analýza se týká analýzy vztahu mezi vstupem a výstupem snímače za podmínek ustáleného stavu. Výstupní proměnná je pouze funkcí vstupní proměnné, tj. y=f(x), a její citlivost je dy.

(1) Protože existuje jednoduchý lineární vztah mezi S a F, Q a S a U a Q za statických podmínek, lze jej změnit na U0=CijdijA, kde Cij je ekvivalentní koeficient pružnosti mechanického systému; Dij je ekvivalentní piezoelektrická konstanta piezoelektrické keramiky; A je faktor zesílení měřicího vedení; dolní index ij představuje směr síly a směr deformace. Pro zvýšení citlivosti piezoelektrického snímače je efektivní zvýšit hodnotu jednoho nebo více faktorů. Mezi nimi je potenciál pro zvýšení hodnoty piezoelektrické konstanty piezoelektrické keramické desky největší a piezoelektrická konstanta může být zvýšena úpravou složení piezoelektrické keramiky a piezoelektrická schopnost může být zlepšena sériově paralelní kombinací piezoelektrických keramických desek. Konstanty, jako je paralelní připojení piezoelektrických keramických desek, zdvojnásobují citlivost nabíjení. Navíc správný výběr elektrických podmínek piezoelektrické keramické desky může také zvýšit hodnotu piezoelektrické konstanty, jako je piezoelektrická keramika ve stavu elektrického zkratu na hranici větší než ekvivalentní piezoelektrická konstanta otevřeného stavu. U piezoelektrické keramiky je režim vibrací jiný, piezoelektrická konstanta je také odlišná a tangenciální piezoelektrická konstanta (d15) je větší než tloušťková piezoelektrická konstanta (d33) a radiální piezoelektrická konstanta (d31). Údaje piezoelektrické konstanty piezoelektrické keramiky PZT4. Citlivost elektrického senzoru souvisí s citlivostí tří složek, které jej tvoří. Protože jsou tři komponenty zapojeny do série, citlivost piezoelektrického snímače se násobí citlivostí tří komponent. Následující analýza je provedena ze statického a dynamického.

2.1 Statická analýza
Statická analýza se týká analýzy vztahu mezi vstupem a výstupem snímače za podmínek ustáleného stavu. Výstupní proměnná je pouze funkcí vstupní proměnné, tj. y=f(x), a její citlivost je dy. Citlivost snímače spočívá v tom, že existuje jednoduchý lineární vztah mezi S a F, Q a S a U a Q za statických podmínek a rovnici (1) lze změnit na U0=CijdijA(2) kde Cij je mechanika Ekvivalentní koeficient pružnosti systému; dij je ekvivalentní piezoelektrická konstanta peizoelektrický kotoučový keramický měnič

; A je faktor zesílení měřicího vedení; dolní index ij představuje směr síly a směr deformace. Pro zvýšení citlivosti piezoelektrického snímače je efektivní zvýšit hodnotu jednoho nebo více faktorů. Mezi nimi je největší potenciál pro zvýšení hodnoty piezoelektrické konstanty piezoelektrické keramické desky a piezoelektrická konstanta může být zvýšena úpravou složení piezoelektrické keramiky a piezoelektrická schopnost může být zlepšena sériově-paralelní kombinací piezoelektrických keramických desek. Konstanty, jako je paralelní připojení piezoelektrických keramických desek, zdvojnásobují citlivost nabíjení. Navíc správný výběr elektrických podmínek piezoelektrické keramické desky může také zvýšit hodnotu piezoelektrické konstanty, jako je piezoelektrická keramika ve stavu elektrického zkratu na hranici větší než ekvivalentní piezoelektrická konstanta otevřeného stavu. U piezoelektrické keramiky je režim vibrací jiný, piezoelektrická konstanta je také odlišná a tangenciální piezoelektrická konstanta (d15) je větší než tloušťková piezoelektrická konstanta (d33) a radiální piezoelektrická konstanta (d31). Zobrazuje spojitý signál piezoelektrické konstanty piezoelektrické keramiky PZT-4, což může být také pulzní signál nebo periodický vstup. V tomto okamžiku výstupní charakteristiky snímače již nejsou v ustáleném stavu, ale dochází k přechodové přechodové charakteristice, to znamená, že vztah mezi výstupem a vstupem bude funkcí času. Dynamické charakteristiky snímače jsou obvykle analyzovány pomocí amplitudově-frekvenčních charakteristik. Nejprve jsou diskutovány amplitudově-frekvenční charakteristiky mechanického systému piezoelektrického snímače. Mechanický systém je obecně klasifikován do systému druhého řádu s jedním stupněm volnosti. Vztah amplitudy-frekvence se vypočítá jako X0=sqrt(K/m) jako vlastní frekvence systému. Kde K je koeficient tuhosti systému, m je hmotnost systému; N je relativní koeficient tlumení. Z rovnice lze poznat, že pro určitou hodnotu N je X/X0 v intervalu [0, 2/(1+4N2, ûH(jX)û je konstanta a velikost je rovna 1/X20, což je horní mez maximální frekvence systému. Je to 2X0/(1+4N2). Pokud jde o dynamickou analýzu piezoelektrické keramiky, lze pro její diskusi použít přibližnou dynamickou analýzu amplitudově-frekvenční charakteristiky jsou konstantní v poměrně širokém frekvenčním rozsahu, a deff je ekvivalentní v piezoelektrické konstantě Na závěr jsou diskutovány amplitudově-frekvenční charakteristiky měřicího vedení, Ri je vstupní odpor měřicího vedení A je zesilovací faktor zesilovače, respektive kapacitní odpor; amplitudově-frekvenční charakteristika měřicího vedení je plochá, přičemž se vypočítává následující vztah amplituda-frekvence, tj. Xm1/RfCf. Souhrnně, když je frekvence kolísání vnější síly v rozsahu .Amplitudově-frekvenční charakteristika piezoelektrického snímače je plochá.

Citlivost piezoelektrického keramického senzoru je známa z výše uvedené diskuse. Za dynamických podmínek, kdy je frekvence vnější síly v rozsahu, je citlivost piezoelektrického keramického senzoru vyjádřena jako dynamická a piezoelektrický keramický plech je vylepšen snížením vlastní frekvence mechanického systému. Piezoelektrická konstanta a způsob snížení zpětnovazební kapacity měřicího vedení může zlepšit citlivost piezoelektrického snímače.

A. Podle statické analýzy lze pro zlepšení citlivosti piezoelektrického senzoru zlepšit citlivost každé součásti, to znamená, že se zlepší koeficient elastické poddajnosti mechanického systému, ekvivalentní piezoelektrická konstanta piezoelektrického keramického kusu a zesilovací faktor měřicí linky. Mezi nimi je potenciál pro zvýšení piezoelektrické konstanty piezoelektrické keramické desky největší.
b. Podle dynamické analýzy by měla být citlivost piezoelektrického snímače uvažována v kombinaci s frekvencí změny vnější síly. V plochém rozsahu amplitudově-frekvenčních charakteristik lze zlepšit citlivost piezoelektrického snímače zvýšením hmotnosti mechanického systému, zvýšením piezoelektrické konstanty piezoelektrického keramického plechu a snížením koeficientu tuhosti mechanického systému a zpětnovazební kapacity měřicího vedení.
C. V kombinaci se statickou analýzou a dynamickou analýzou je známo, že zvýšení piezoelektrické konstanty piezoelektrické keramické desky může účinně zlepšit citlivost piezoelektrického senzoru a je také jednou z nejpraktičtějších metod. Je to proto, že je snazší zvýšit piezoelektrickou konstantu piezoelektrické keramické desky úpravou chemického složení piezoelektrické keramiky. Kromě toho může piezoelektrická keramická deska zvýšit účinnou piezoelektrickou konstantu piezoelektrické keramické desky výběrem vhodného vibračního režimu a sériově-paralelní kombinace.