اثر پیزو و سنسور آکوستیک پیزوالکتریک

سیگنال های انتشار صوتی در حال انتشار در محیط جامد حاوی اطلاعات مشخصه منابع انتشار صوتی هستند. برای استفاده از این اطلاعات برای انعکاس ویژگی های مواد یا ایجاد نقص، دریافت چنین سیگنال های انتشار صوتی روی سطوح جامد ضروری است. سیگنال های انتشار صوتی سیگنال های موج تصادفی گذرا با حداقل جابجایی عمودی حدود 10-7،10-14 متر هستند. فرکانس در محدوده فرکانس مادون صوت تا فراصوت (چند هرتز تا ده ها مگاهرتز) توزیع می شود. این امر مستلزم آن است که ابزارهای تشخیص انتشار صوتی دارای سرعت پاسخ بالا، حساسیت بالا، بهره بالا، محدوده دینامیکی گسترده، قابلیت بازیابی مسدود کننده قوی و تشخیص فرکانس باشند. کریستال دیسک سرامیکی پیزو را می توان انتخاب کرد. در فرآیند تشخیص انتشار صوتی واقعی، سیگنال های شناسایی شده اغلب سیگنال های پیچیده ای هستند که تحت بازتاب های متعدد و تبدیل شکل موج قرار گرفته اند. سیگنال های انتشار صوتی توسط حسگرها دریافت می شوند و به سیگنال های الکتریکی تبدیل می شوند. حسگرها یک منحنی حساسیت فرکانس را با توجه به یک روش کالیبراسیون خاص ارائه می دهند. بر این اساس می توان انواع حسگرها با فرکانس ها و حساسیت های متفاوت را با توجه به هدف و محیط تشخیص انتخاب کرد.

سنسور اولتراسونیک بر اساس این اصل ساخته شده است که ویژگی های فیزیکی مواد خاص (مانند نیمه هادی ها، سرامیک های پیزو، کریستال های پیزوالکتریک، اجسام فرومغناطیسی و ابررساناها) با بیرون اندازه گیری می شوند. از بسیاری از اثرات (از جمله اثرات فیزیکی، اثرات شیمیایی و اثرات بیولوژیکی) و پدیده های فیزیکی مانند استفاده از مقاومت پیزو، حساسیت به رطوبت، حساسیت حرارتی، حساسیت به نور، حساسیت مغناطیسی و حساسیت به گاز مواد استفاده می کند. جابجایی، میدان مغناطیسی، گاز اندازه گیری شده و به الکتریسیته تبدیل می شود. کشف و استفاده از اصول جدید، اثرات جدید و توسعه و بکارگیری مواد فیزیکی جدید منجر به توسعه حسگرهای فیزیکی شده است. بنابراین درک اثرات مختلفی که حسگرها بر اساس آنها هستند و درک، توسعه و به کارگیری آنها ضروری است. در فرآیند تشخیص انتشار صوتی، معمولاً از اثر پیزوالکتریک استفاده می شود.

اثر پیزوالکتریک برگشت پذیر است که یک اصطلاح کلی برای اثرات پیزوالکتریک مثبت و منفی است. مرسوم است که اثر پیزوالکتریک مثبت را اثر پیزوالکتریک می نامند.

هنگامی که مواد دی الکتریک خاصی از سرامیک پیزوالکتریک مواد Pzt توسط نیروی خارجی در جهت خاصی تغییر شکل می‌دهد، بارهای مثبت و منفی علائم مختلف بر روی سطوح خاصی از ماده دی الکتریک ایجاد می‌شود. پس از حذف نیروی خارجی، آنها به حالت بدون بار باز می گردند. این پدیده را اثر پیزوالکتریک مثبت می نامند. بار تولید شده توسط یک نیروی دی الکتریک با بزرگی نیروی خارجی متناسب است. ضریب تناسب یک ثابت پیزوالکتریک است که به جهت تغییر شکل مکانیکی مربوط می شود. برای یک جهت معین از یک ماده خاص ثابت است. قطبیت بار تولید شده توسط نیروی دی الکتریک به شکل تغییر شکل (فشردگی یا ازدیاد طول) بستگی دارد. موادی که اثرات پیزوالکتریک قابل توجهی دارند، مواد پیزوالکتریک نامیده می شوند. معمولاً تک بلورهایی مانند کریستال‌های کوارتز، لیتیوم نیوبات LiNbO3، لیتیوم گالات LiGaO3، ژرمنات بیسموت Bi12GeO20 و پلی‌کریستال‌هایی مانند تیتانات باریم پس از تصفیه پلاریزاسیون استفاده می‌شوند. سرامیک پیزو الکتریک، سرامیک پیزوالکتریک سری زیرکونات تیتانات سرب PZT. مواد پیزوالکتریک جدید شامل فیلم های پیزوالکتریک پلیمری (مانند پلی وینیلیدین فلوراید PVDF) و نیمه هادی های پیزوالکتریک (مانند ZnO، CdS) می باشند. اثر پیزوالکتریک مواد تک کریستالی به دلیل تغییر شکل ساختار نصف النهار داخلی این تک بلورها هنگام قرار گرفتن در معرض تنش خارجی است، که باعث می شود حالت خنثی اصلی ماکروسکوپی از بین برود و منجر به قطبش شود. سرامیک های پیزوالکتریک و فیلم های پیزوالکتریک پلیمری پس از پلاریزاسیون (یک میدان الکتریکی قوی در دمای معین اعمال می شود) نتیجه پلاریزاسیون حوزه های الکتریکی و جفت الکترود است.

سنسورهای پیزوالکتریک با استفاده از اثر پیزوالکتریک مثبت ساخته شده اند که انرژی غیر الکتریکی مانند فشار، لرزش، شتاب و غیره را تبدیل می کند. انرژی الکتریکی برای اندازه گیری دقیق استفاده می شود.

هنگامی که یک میدان الکتریکی در جهت قطبش دی الکتریک اعمال می شود اجزای حلقه پیزوسرامیک Pzt8 ، برخی از دی الکتریک ها تغییر شکل مکانیکی یا تنش مکانیکی را در جهت خاصی ایجاد می کنند. هنگامی که میدان الکتریکی خارجی حذف می شود، تغییر شکل یا تنش نیز ناپدید می شود. این پدیده فیزیکی اثر پیزوالکتریک معکوس نامیده می شود. با استفاده از اثر پیزوالکتریک معکوس می توان به ژنراتورهای اولتراسونیک، بلندگوهای پیزوالکتریک، نوسانگرهای کریستالی پیزو با فرکانس بسیار پایدار (مانند ساعت های کوارتز و ساعت هایی با خطای روز و شب) ساخت. اثر پیزوالکتریک معکوس را می توان برای تولید سیگنال انتشار صوتی استفاده کرد. از آنجا که عناصر تبدیل پیزوالکتریک دارای دو ویژگی مهم خود مولد و برگشت پذیر هستند، به علاوه اندازه کوچک، وزن سبک، ساختار ساده، عملکرد قابل اعتماد، فرکانس طبیعی بالا، حساسیت بالا و نسبت سیگنال به نویز بالا، کاربرد سنسورهای پیزوالکتریک به سرعت توسعه می یابد. انواع ژنراتورهای ولتاژ مانند منابع تغذیه پیزوالکتریک، اجاق گاز، و دستگاه‌های احتراق خودکار برای موتورهای خودرو که با استفاده از اثر پیزوالکتریک مثبت در فناوری آزمایش توسعه یافته‌اند، عنصر تبدیل پیزوالکتریک یک عنصر حسگر نیروی معمولی است که می‌تواند تغییرپذیر نهایی را اندازه‌گیری کند. بنابراین، ارتعاش، کاربرد سنسورهای پیزوالکتریک را می توان در طیف گسترده ای از زمینه ها مانند آکوستیک، مکانیک، پزشکی و هوا فضا مشاهده کرد. آنچه مهمتر است این است که با توجه به نتایج بیوپیزوالکتریک، مشخص شده است که موجودات زنده دارای پیزوالکتریک هستند و اندام های مختلف حس انسان در واقع حسگرهای بیوپیزوالکتریک هستند. اگر شکستگی با توجه به اثر پیزوالکتریک مثبت درمان شود، بهبودی می تواند تسریع شود. از اثر پیزوالکتریک معکوس می توان برای تقویت استخوان ها برای اصلاح استخوان های تغییر شکل یافته و سایر عملکردها استفاده کرد. عیب اصلی عناصر تبدیل پیزوالکتریک این است که خروجی ثابتی ندارند که به امپدانس خروجی الکتریکی بالا نیاز دارد و نیاز به کابل‌های کم ظرفیت و صدای کم دارد. دمای کار بسیاری از مواد پیزوالکتریک تنها حدود 250 درجه سانتیگراد است.