Forskning i følsomheden af ​​piezoelektriske keramiske transducerkomponenter

På grund af den piezoelektriske effekt kan piezoelektrisk keramik direkte omdanne ikke-elektricitet til elektricitet, og dens piezoelektriske konstant kan forbedres væsentligt ved at justere sammensætningen af sammensætningen  eller ændre kombinationen af piezokeramiske plader, og derved effektivt forbedre dens følsomhed. og mere opmærksomhed. Grundprincippet og sammensætningen af ​​den piezoelektriske sensor introduceres kort. Faktorerne, der påvirker følsomheden af ​​den piezoelektriske sensor, diskuteres i detaljer fra statisk og dynamisk. På dette grundlag opnås en effektiv metode til forbedring af følsomheden.

Sensoren er en enhed med detektionsfunktion, der er meget udbredt inden for industri, landbrug, nationalt forsvar og medicin. Det kaldes 'Electric Five', som registrerer forskellige ikke-elektriske mængder ved at simulere funktionerne af menneskelige ansigtstræk . piezo rund skive transducer med piezoelektrisk effekt er et af PZT-materialerne til fremstilling af sensorer. Piezoelektriske sensorer, der er fortrolige med, omfatter piezoelektriske accelerometre, piezoelektriske gyroer, piezoelektriske trykmålere og galvanometre. Med teknologiens fremskridt er mange nye sensorer blevet født, og ydeevnen af ​​eksisterende sensorer er også blevet forbedret. Følsomhed er en vigtig indikator for sensoren. De følgende faktorer diskuterer de faktorer, der påvirker sensorens følsomhed fra  både statiske og dynamiske aspekter.

Grundlæggende  principper og  sammensætning af  piezoelektriske )  keramiske ensorer er enheder , der bruger piezoelektriske effekter af piezoelektriske keramiske plader til at omdanne spænding (eller belastning  stil spænding (eller ladning) og derefter forstærke og udsende dem gennem en forstærker. Piezoelektriske keramiske plader er nøglekomponenterne. Fra signalkonverteringsperspektivet svarer piezoelektriske keramiske plader til en ladningsgenerator.

Den piezo -keramiske sensor er sammensat af et mekanisk system, der overfører ekstern kraft til den piezoelektriske keramiske plade, en piezo- elektrisk keramisk plade og et målekredsløb, der overfører elektrisk ladning til måleren. Det mekaniske system er en beslagdel til montering og fastgørelse af den piezoelektriske keramiske plade. Systemet er i direkte kontakt med omverdenen, og når det udsættes for en ydre kraft, deformeres beslaget og den piezoelektriske keramiske plade sammen. Den piezoelektriske keramiske plade genererer et ladningsoutput ved deformation. Målelinjen forstærker ladningen og omdanner den til en spændingsudgang.

2 Faktorer, der påvirker følsomheden af ​​den piezoelektriske sensor

Følsomheden af ​​en piezoelektriske diske transducer  er forholdet mellem en lille stigning af output til en lille stigning af den tilsvarende input. Jo større forholdet er, desto højere følsomhed. Følsomheden af ​​den piezoelektriske sensor er relateret til følsomheden af ​​de tre dele, der gør den. Da de tre dele er forbundet i serie, multipliceres den piezoelektriske sensors følsomhed med de tre deles følsomhed. Følgende analyse er udført fra henholdsvis statisk og dynamisk. 

2.1 Statisk analyse
Statisk analyse refererer til analysen af ​​forholdet mellem input og output fra sensoren under steady state-forhold. Outputvariablen er kun en funktion af inputvariablen, dvs. y=f(x), og dens følsomhed er dy.

(1) Da der er et simpelt lineært forhold mellem S og F, Q og S, og U og Q under statiske forhold, kan det ændres til U0=CijdijA, hvor Cij er den ækvivalente elastiske overensstemmelseskoefficient for det mekaniske system; Dij er den ækvivalente piezoelektriske konstant for den piezoelektriske keramik; A er forstærkningsfaktoren for målelinjen; underskriften ij repræsenterer henholdsvis kraftens retning og deformationsretningen. For at øge den piezoelektriske sensors følsomhed er det effektivt at øge værdien af ​​en eller flere faktorer. Blandt dem er potentialet for at øge den piezoelektriske konstantværdi af den piezoelektriske keramiske plade størst, og den piezoelektriske konstant kan øges ved at justere formuleringen af ​​den piezoelektriske keramik, og piezoelektriciteten kan forbedres ved den serieparallelle kombination af de piezoelektriske keramiske plader. Konstanter, såsom parallelforbindelse af piezoelektriske keramiske plader, fordobler ladningsfølsomheden. Derudover kan korrekt valg af de elektriske betingelser for den piezoelektriske keramiske plade også øge værdien af ​​den piezoelektriske konstant, såsom den piezoelektriske keramik i den elektriske grænsekortslutningstilstand er større end den ækvivalente piezoelektriske konstant i den åbne tilstand. For piezoelektrisk keramik er vibrationstilstanden anderledes, den piezoelektriske konstant er også anderledes, og den tangentielle piezoelektriske konstant (d15) er større end tykkelsens piezoelektriske konstant (d33) og den radiale piezoelektriske konstant (d31). De piezoelektriske konstantdata for PZT4 piezoelektriske keramik. Følsomheden af ​​den elektriske sensor er relateret til følsomheden af ​​de tre komponenter, der gør den. Da de tre komponenter er forbundet i serie, multipliceres den piezoelektriske sensors følsomhed med de tre komponenters følsomhed. Følgende analyse er udført fra henholdsvis statisk og dynamisk.

2.1 Statisk analyse
Statisk analyse refererer til analysen af ​​forholdet mellem input og output fra sensoren under steady state-forhold. Outputvariablen er kun en funktion af inputvariablen, dvs. y=f(x), og dens følsomhed er dy. Følsomheden af ​​sensoren er, at fordi der er et simpelt lineært forhold mellem S og F, Q og S, og U og Q under statiske forhold, og ligning (1) kan ændres til U0=CijdijA(2), hvor Cij er mekanikken. Systemets ækvivalente elastiske overensstemmelseskoefficient; dij er den ækvivalente piezoelektriske konstant af peizoelektriske skiver keramisk transducer

; A er forstærkningsfaktoren for målelinjen; underskriften ij repræsenterer henholdsvis kraftens retning og deformationsretningen. For at øge den piezoelektriske sensors følsomhed er det effektivt at øge værdien af ​​en eller flere faktorer. Blandt dem er potentialet for at øge den piezoelektriske konstantværdi af den piezoelektriske keramiske plade størst, og den piezoelektriske konstant kan øges ved at justere formuleringen af ​​den piezoelektriske keramik, og piezoelektriciteten kan forbedres ved den serie-parallelle kombination af de piezoelektriske keramiske plader. Konstanter, såsom parallelforbindelse af piezoelektriske keramiske plader, fordobler ladningsfølsomheden. Derudover kan korrekt valg af de elektriske betingelser for den piezoelektriske keramiske plade også øge værdien af ​​den piezoelektriske konstant, såsom den piezoelektriske keramik i den elektriske grænsekortslutningstilstand er større end den ækvivalente piezoelektriske konstant i den åbne tilstand. For piezoelektrisk keramik er vibrationstilstanden anderledes, den piezoelektriske konstant er også anderledes, og den tangentielle piezoelektriske konstant (d15) er større end tykkelsens piezoelektriske konstant (d33) og den radiale piezoelektriske konstant (d31). Det viser det piezoelektriske konstant data kontinuerlige signal fra PZT-4 piezoelektrisk keramik, som også kan være pulssignaler eller periodisk input. På dette tidspunkt er sensorens outputkarakteristika ikke længere stabil tilstand, men der opstår en transient overgangskarakteristik, det vil sige, at forholdet mellem output og input vil være en funktion af tiden. Sensorens dynamiske karakteristika analyseres normalt ved hjælp af amplitude-frekvenskarakteristika. Først diskuteres amplitude-frekvenskarakteristika for det mekaniske system af den piezoelektriske sensor. Det mekaniske system er generelt klassificeret i et enkelt-frihedsgrad anden-ordens system. Amplitude-frekvensforholdet beregnes som X0=sqrt(K/m) som systemets egenfrekvens. Hvor K er systemets stivhedskoefficient, m er systemets masse; N er den relative dæmpningskoefficient. Det kan vides fra ligning, at for en vis værdi af N, er X/X0 i intervallet [0, 2/(1+4N2, ûH(jX)û er en konstant, og størrelsen er lig med 1/X20, som er den øvre grænse for systemets maksimale frekvens. Det er 2X0/(1+4N2). Det er 2X0/(1+4N2). diskussionens bekvemmelighed, kan det tilnærmes, at dens amplitude-frekvenskarakteristika er konstante over et ret bredt frekvensområde, og deff er ækvivalent i den piezoelektriske konstant. Til sidst diskuteres amplitude-frekvenskarakteristikken for målelinjen henholdsvis tilbagekoblingsmodstanden og tilbagekoblingskapacitansen I det tilfælde, hvor forstørrelsen er tilstrækkelig stor, er amplitude-frekvenskarakteristikken for målelinjen flad ved beregning af følgende amplitude-frekvensforhold, dvs.

Følsomheden af ​​den piezoelektriske keramiske sensor er kendt fra ovenstående diskussion. Under dynamiske forhold, når frekvensen af ​​den ydre kraft er inden for området, udtrykkes følsomheden af ​​den piezoelektriske keramiske sensor som dynamisk, og den piezoelektriske keramiske plade forbedres ved at sænke den naturlige frekvens af det mekaniske system. Den piezoelektriske konstant og metoden til at reducere tilbagekoblingskapacitansen af ​​målelinjen kan forbedre den piezoelektriske sensors følsomhed.

en. Ifølge statisk analyse, for at forbedre følsomheden af ​​den piezoelektriske sensor, kan følsomheden af ​​hver komponent forbedres, det vil sige den elastiske overensstemmelseskoefficient for det mekaniske system, den ækvivalente piezoelektriske konstant for det piezoelektriske keramiske stykke og forstærkningsfaktoren for målelinjen forbedres. Blandt dem er potentialet for at øge den piezoelektriske konstant af den piezoelektriske keramiske plade størst.
b. Ifølge den dynamiske analyse skal følsomheden af ​​den piezoelektriske sensor overvejes i kombination med frekvensen af ​​ændring af den eksterne kraft. I det flade område af amplitude-frekvenskarakteristika kan følsomheden af ​​den piezoelektriske sensor forbedres ved at øge massen af ​​det mekaniske system, øge den piezoelektriske konstant af den piezoelektriske keramiske plade og reducere stivhedskoefficienten af ​​det mekaniske system og tilbagekoblingskapacitansen af ​​målelinjen.
c. Kombineret med statisk analyse og dynamisk analyse er det kendt, at forøgelse af den piezoelektriske konstant af den piezoelektriske keramiske plade effektivt kan forbedre følsomheden af ​​den piezoelektriske sensor, og er også en af ​​de mest praktiske metoder. Dette skyldes, at det er lettere at øge den piezoelektriske konstant for den piezoelektriske keramiske plade ved at justere den kemiske sammensætning af den piezoelektriske keramik. Desuden kan den piezoelektriske keramiske plade øge den effektive piezoelektriske konstant af den piezoelektriske keramiske plade ved at vælge en passende vibrationstilstand og en serie-parallel kombination.