Jaký je piezoelektrický materiál a struktura?

Piezoelektrický materiál je speciální dielektrický materiál s piezoelektrickým efektem a inverzním piezoelektrickým efektem. Piezoelektrický jev je charakteristický pro některé piezokrystaly objevené francouzskými bratry P. Curie a J. Curie v roce 1880. Když piezoelektrická síla vyvíjí mechanickou sílu (nebo uvolňuje tlak) na svůj piezoelektrický směr, piezoelektrické těleso generuje jev nabíjení a vybíjení. Tento jev se nazývá pozitivní piezoelektrický jev. Elektrické pole, které je stejné (nebo opačné) ke směru polarizace, způsobuje dva efekty: inverzní piezoelektrický efekt a elektrostrikční efekt. Inverzní piezoelektrický jev, to znamená, že dielektrikum je mechanicky deformováno vnějším elektrickým polem a velikost deformace je úměrná velikosti použitého elektrického pole a směr souvisí se směrem elektrického pole. Elektrostrikční účinek, tj. dielektrické pole Piezoelektrická keramika z materiálu Pzt vytváří napětí v důsledku indukované polarizace a velikost napětí je úměrná druhé mocnině elektrického pole, které je nezávislé na směru elektrického pole. Inverzní piezoelektrický efekt a elektrostrikční efekt jsou v podstatě výsledkem polarizace dielektrického krystalu působením vnějšího elektrického pole a mřížka je zdeformována a makroskopicky se jeví jako mechanické napětí.

Piezoelektrická keramika je piezoelektrická keramika získaná smícháním přísad, slinováním při vysoké teplotě a piezoelektrickou sestavou po reakci v pevné fázi mezi částicemi. Materiál PZT lze použít jako snímací prvek i jako hnací prvek a lze jej zabudovat do jiných materiálů za účelem vytvoření kompozitního materiálu. Proto má širokou škálu aplikací, jako je manipulace s letadly na křídlech letadel a ve vibračních systémech. Aktivní kontrola vibrací a hluku pro monitorování stavu konstrukce v zařízení.

2 Struktura PZT

Podle moderní teorie strukturální dynamiky, když dojde k poškození a defektům v zařízení a konstrukcích, jako jsou praskliny, uvolněné šrouby atd., změní se jeho tuhost a charakteristiky mechanické impedance, což povede také ke změnám vlastní frekvence a režimu konstrukce. Míru poškození lze tedy kvantitativně udat na základě změny mechanické impedance. Mechanická dynamická impedance se však mění s frekvencí a je obtížné ji měřit pomocí konvenčních metod. Použití samohybných a samočinných charakteristik piezoelektrického prvku, materiálu PZT piezo kulaté kotouče mohou současně působit jako hnací prvek a snímací prvek pro vybuzení struktury pro získání dynamické odezvy struktury, čímž se vytvoří most mezi mechanickými charakteristikami a elektrickou informací, informací o mechanické dynamické impedanci. Změny se mohou projevit jednoduchými naměřenými elektrickými informacemi. Když je na povrch piezoelektrické keramické desky aplikováno určité vnější napětí, vzniká na povrchu paprsku boční povrchová síla. Tyto povrchové síly pohání paprsek tak, aby vytvářel různé vibrace (když jsou horní a spodní PZT vystaveny stejnému napětí, paprsek bude vibrovat podélně; při použití opačného napětí bude paprsek vystaven ohybovým vibracím). Vibrace zase způsobí deformaci paprsku a deformační charakteristiky se mohou odrazit ve formě elektrických signálů prostřednictvím snímacích charakteristik piezoelektrických keramických plátů. Dynamické přijímací charakteristiky piezoelektrických keramických desek nalepených na konstrukci proto mohou odrážet stav poškození struktury. Podle piezoelektrického vazebního efektu a interakce mezi PZT a strukturou lze získat frekvenčně závislou admitanci (převrácenou hodnotu impedance). Když parametry a výkon PZT zůstanou konstantní, strukturální impedance jednoznačně určuje hodnotu druhého členu. Jakákoli změna piezoelektrického sodíku odpovídá strukturálnímu poškození a defektům, takže strukturální poškození lze identifikovat podle hodnoty piezoelektrického sodíku.

Vzhledem k piezoelektrickému efektu a inverznímu piezoelektrickému efektu piezoelektrického prvku má piezoelektrický prvek dvojí funkce řízení a snímání a tato funkce může realizovat on-line a v reálném čase monitorování stavu struktury.

Část materiálu PZT je drátem připojena ke zdroji generujícímu budící signál a na materiál PZT je přiveden budicí signál (napětí nebo náboj) prostřednictvím zdroje napětí nebo náboje, protože materiál PZT má inverzní piezoelektrický efekt, to znamená, že působením elektrického pole dochází k deformaci vlivem PZT materiál se přilepí k základně (přilne materiál PZT k základně) materiál a základní materiál se zdeformuje nebo posune dohromady. V tomto okamžiku je PZT ekvivalentní budiči a deformace je generována přijetím budícího signálu. Nebo cvičte na pohon základního materiálu. Současně je část materiálu PZT umístěna na základním materiálu a není připojena ke zdroji energie a tato deformace nebo pohyb se při deformaci nebo pohybu základního materiálu přenáší na materiál PZT. Vlivem piezoelektrického jevu materiálu PZT se uvnitř náboje generuje náboj a velikost náboje se mění s velikostí deformace nebo pohybu. V tomto okamžiku je materiál PZT ekvivalentní senzoru. Poté je výstupní signál snímače PZT měřen a sbírán měřicím zařízením a deformace nebo pohyb základního materiálu se může odrážet v reálném čase a online, čímž je realizováno sledování stavu konstrukce v reálném čase a online.