Piezoeffekt og piezoelektrisk akustisk sensor

Akustiske emissionssignaler udbredes i de faste medier indeholder karakteristiske oplysninger om akustiske emissionskilder. For at bruge disse oplysninger til at afspejle materialeegenskaber eller udviklingen af ​​defekter, er det nødvendigt at modtage sådanne akustiske emissionssignaler på faste overflader. Akustiske emissionssignaler er transiente tilfældige bølgesignaler med en minimum lodret forskydning på omkring 10-7,10-14 meter. Frekvensen er fordelt i frekvensområdet infralyd til ultralyd (fra adskillige hertz til titusinder af megahertz). Dette kræver, at instrumenter til detektering af akustiske emissioner har høj responshastighed, høj følsomhed, høj forstærkning, bredt dynamisk område, stærk blokerende gendannelsesevne og frekvensdetektering af piezo keramisk skive krystal kan vælges. I selve den akustiske emissionsdetektionsproces er de detekterede signaler ofte komplekse signaler, der har gennemgået flere refleksioner og bølgeformstransformationer. Akustiske emissionssignaler modtages af sensorer og konverteres til elektriske signaler. Sensorerne giver en frekvensfølsomhedskurve efter en specifik kalibreringsmetode. Baseret på dette kan forskellige typer sensorer med forskellige frekvenser og følsomheder vælges i henhold til formålet og miljøet for detekteringen.

Ultralydssensoren er lavet ud fra princippet om, at de fysiske egenskaber af visse stoffer (såsom halvledere, piezokeramik, piezoelektriske krystaller, ferromagnetiske legemer og superledere) ændrer sig med ydersiden, der skal måles. Det bruger mange effekter (herunder fysiske effekter, kemiske effekter og biologiske effekter) og fysiske fænomener, såsom brugen af ​​piezo-resistens, fugtfølsomhed, varmefølsomhed, lysfølsomhed, magnetisk følsomhed og gasfølsomhed af materialer. Forskydning, magnetfelt, gas måles og omdannes til elektricitet. Opdagelsen og udnyttelsen af ​​nye principper, nye effekter og udvikling og anvendelse af nye fysiske materialer har ført til udviklingen af ​​fysiske sensorer. Det er derfor nødvendigt at forstå de forskellige effekter, som sensorerne er baseret på, og at forstå, udvikle og anvende dem. I den akustiske emissionsdetektionsproces anvendes normalt den piezoelektriske effekt.

Den piezoelektriske effekt er reversibel, hvilket er en generel betegnelse for de positive og negative piezoelektriske effekter. Det er sædvanligt at kalde den positive piezoelektriske effekt en piezoelektrisk effekt.

Når visse dielektriske materialer af Pzt materiale piezoelektrisk keramik deformeres af ekstern kraft i en bestemt retning, positive og negative ladninger af forskellige tegn genereres på visse overflader af det dielektriske materiale. Efter at den eksterne kraft er fjernet, vender de tilbage til en uladet tilstand. Dette fænomen kaldes positiv piezoelektrisk effekt. Ladningen genereret af en dielektrisk kraft er proportional med størrelsen af ​​den eksterne kraft. Proportionalitetskoefficienten er en piezoelektrisk konstant, som er relateret til retningen af ​​mekanisk deformation. Den er konstant for en bestemt retning af et bestemt materiale. Polariteten af ​​ladningen genereret af en dielektrisk kraft afhænger af formen for deformation (kompression eller forlængelse). Materialer med betydelige piezoelektriske effekter kaldes piezoelektriske materialer. Almindeligt anvendte er enkeltkrystaller såsom kvartskrystaller, lithiumniobat LiNbO3, lithiumgallat LiGaO3, vismutgermanat Bi12GeO20 og polykrystaller såsom bariumtitanat efter polarisationsbehandling. Elektrisk piezo keramik, bly zirconate titanate serie piezoelektrisk keramik PZT. Nye piezoelektriske materialer omfatter polymer piezoelektriske film (såsom polyvinylidenfluorid PVDF) og piezoelektriske halvledere (såsom ZnO, CdS). Den piezoelektriske effekt af enkeltkrystalmaterialer skyldes deformationen af ​​den indre meridianstruktur af disse enkeltkrystaller, når de udsættes for ekstern belastning, hvilket forårsager, at den oprindelige makroskopisk neutrale tilstand ødelægges og resulterer i polarisering. De piezoelektriske keramik og polymer piezoelektriske film efter polarisering (et stærkt elektrisk felt påføres ved en bestemt temperatur) er resultatet af polariseringen af ​​elektriske domæner og elektrodepar.

Piezoelektriske sensorer er lavet ved hjælp af den positive piezoelektriske effekt, der konverterer ikke-elektrisk energi såsom tryk, vibrationer, acceleration osv. elektrisk energi bruges til præcis måling.

Når et elektrisk felt påføres i retning af polarisering dielektrisk af Pzt8 piezokeramiske ringkomponenter , nogle dielektrika vil producere mekanisk deformation eller mekanisk spænding i en bestemt retning. Når det ydre elektriske felt fjernes, forsvinder deformationen eller spændingen også. Dette fysiske fænomen kaldes den omvendte piezoelektriske effekt. Udnyttelse af den omvendte piezoelektriske effekt kan omdannes til ultralydsgeneratorer, piezoelektriske højttalere, piezokrystaloscillatorer med en meget stabil frekvens (såsom kvartsure og ure med dag- og natfejl). Den omvendte piezoelektriske effekt kan bruges til generering af akustiske emissionssignaler. Fordi piezoelektriske konverteringselementer har to vigtige egenskaber af selvgenererende og reversibel, plus dens lille størrelse, lette vægt, enkle struktur, pålidelige drift, høje egenfrekvens, høj følsomhed og høje signal-til-støj-forhold, får anvendelsen af ​​piezoelektriske sensorer hurtig udvikling. En række forskellige spændingsgeneratorer såsom piezoelektriske strømforsyninger, gaskomfurer og selvtændingsanordninger til bilmotorer udviklet ved hjælp af den positive piezoelektriske effekt i testteknologien, det piezoelektriske konverteringselement er et typisk kraftfølende element, som kan måle den endelige foranderlige. Disse fysiske størrelser som tryk, chok, påføring og derfor mekanisk kraft, vibration og derfor. piezoelektriske sensorer kan ses inden for en lang række områder såsom akustik, mekanik, medicin og rumfart. Hvad der er mere væsentligt er, at ifølge resultaterne af bio-piezoelektrik er det anerkendt, at levende ting har piezoelektricitet, og forskellige menneskelige sanseorganer er faktisk bio-piezoelektriske sensorer. Hvis bruddet behandles efter den positive piezoelektriske effekt, kan helingen fremskyndes; den omvendte piezoelektriske effekt kan bruges til at drive knoglerne til at korrigere deforme knogler og andre funktioner. Den største ulempe ved piezoelektriske konverteringselementer er, at de ikke har nogen statisk udgang, som kræver høj elektrisk udgangsimpedans og kræver kabler med lav kapacitans og lavt støjniveau. Driftstemperaturen for mange piezoelektriske materialer er kun omkring 250 ° C.