تحقیق در مورد حساسیت اجزای مبدل سرامیکی پیزوالکتریک

با توجه به اثر پیزوالکتریک، سرامیک‌های پیزوالکتریک می‌توانند مستقیماً الکتریسیته غیرالکتریسیته را به الکتریسیته تبدیل کنند و ثابت پیزوالکتریک آن را می‌توان با تنظیم ترکیب ترکیب  یا تغییر ترکیب ورق‌های پیزوسرامیک تا حد زیادی بهبود بخشید و در نتیجه حساسیت آن را به طور موثر بهبود بخشید . اصل اساسی و ترکیب سنسور پیزوالکتریک به طور خلاصه معرفی می شود. عوامل موثر بر حساسیت سنسور پیزوالکتریک به تفصیل از استاتیک و دینامیک مورد بحث قرار گرفته است. بر این اساس روشی موثر برای بهبود حساسیت به دست می آید.

سنسور دستگاهی با عملکرد تشخیص است که به طور گسترده در زمینه های صنعت، کشاورزی، دفاع ملی و پزشکی استفاده می شود. 'پنج برق' نامیده می شود، که با شبیه سازی عملکرد ویژگی های صورت انسان، مقادیر مختلف غیر الکتریکی را تشخیص می دهد . مبدل دیسک گرد پیزو با اثر پیزوالکتریک یکی از مواد PZT برای ساخت سنسورها می باشد. سنسورهای پیزوالکتریک که با آنها آشنا هستند عبارتند از: شتاب سنج پیزوالکتریک، ژیروسکوپ پیزوالکتریک، فشارسنج پیزوالکتریک و گالوانومتر. با پیشرفت تکنولوژی، بسیاری از سنسورهای جدید متولد شده اند و عملکرد سنسورهای موجود نیز بهبود یافته است. حساسیت یک شاخص مهم سنسور است. عوامل زیر عوامل موثر بر حساسیت سنسور را از  هر دو جنبه استاتیکی و دینامیکی مورد بحث قرار می دهند.

اولیه  اصول و  ترکیب محفظه‌های  p iezoelectric دستگاه‌هایی هستند که  ارامیک از  sاثرات پیزوالکتریک ورق‌های سرامیکی پیزوالکتریک برای تبدیل تنش (یا کرنش) به ولتاژ (یا شارژ) و سپس تقویت و خروجی آن‌ها از طریق تقویت‌کننده استفاده می‌کنند. ورق های سرامیکی پیزوالکتریک اجزای اصلی هستند. از منظر تبدیل سیگنال، ورق های سرامیکی پیزوالکتریک معادل یک ژنراتور شارژ هستند. سنسور

پیزو سرامیکی از یک سیستم مکانیکی تشکیل شده است که نیروی خارجی را به ورق سرامیکی پیزوالکتریک منتقل می کند، یک ورق سرامیکی پیزو الکتریک و یک مدار اندازه گیری که بار الکتریکی را به متر منتقل می کند. سیستم مکانیکی یک بخش براکتی برای نصب و تثبیت ورق سرامیکی پیزوالکتریک است. این سیستم در تماس مستقیم با جهان خارج است و هنگامی که تحت یک نیروی خارجی قرار می گیرد، براکت و ورق سرامیکی پیزوالکتریک با هم تغییر شکل می دهند. ورق سرامیکی پیزوالکتریک با تغییر شکل یک بار خروجی تولید می کند. خط اندازه گیری شارژ را تقویت می کند و آن را به خروجی ولتاژ تبدیل می کند.

2 عوامل موثر بر حساسیت سنسور پیزوالکتریک

حساسیت الف مبدل دیسک های پیزوالکتریک  نسبت یک افزایش کوچک خروجی به افزایش کوچک ورودی مربوطه است. هر چه این نسبت بیشتر باشد، حساسیت بالاتر است. حساسیت سنسور پیزوالکتریک به حساسیت سه قسمت سازنده آن مربوط می شود. از آنجایی که سه قسمت به صورت سری به هم متصل می شوند، حساسیت سنسور پیزوالکتریک در حساسیت سه قسمت ضرب می شود. تحلیل زیر به ترتیب از استاتیک و دینامیک انجام شده است. 

2.1 تجزیه و تحلیل استاتیک
تجزیه و تحلیل استاتیک به تجزیه و تحلیل رابطه بین ورودی و خروجی سنسور در شرایط حالت پایدار اشاره دارد. متغیر خروجی فقط تابعی از متغیر ورودی یعنی y=f(x) است و حساسیت آن dy است.

(1) از آنجایی که یک رابطه خطی ساده بین S و F، Q و S، و U و Q در شرایط استاتیک وجود دارد، می توان آن را به U0=CijdijA تغییر داد، جایی که Cij ضریب انطباق الاستیک معادل سیستم مکانیکی است. Dij ثابت پیزوالکتریک معادل سرامیک پیزوالکتریک است. A ضریب تقویت خط اندازه گیری است. زیرنویس ij به ترتیب جهت نیرو و جهت تغییر شکل را نشان می دهد. به منظور افزایش حساسیت سنسور پیزوالکتریک، افزایش مقدار یک یا چند عامل موثر است. در میان آنها، پتانسیل افزایش مقدار ثابت پیزوالکتریک ورق سرامیک پیزوالکتریک بیشترین است، و ثابت پیزوالکتریک را می توان با تنظیم فرمول سرامیک پیزوالکتریک افزایش داد، و پیزوالکتریک را می توان با ترکیب موازی سری ورق های سرامیکی پیزوالکتریک بهبود بخشید. ثابت هایی مانند اتصال موازی ورق های سرامیکی پیزوالکتریک، حساسیت بار را دو برابر می کند. علاوه بر این، انتخاب مناسب شرایط الکتریکی ورق سرامیکی پیزوالکتریک نیز می تواند مقدار ثابت پیزوالکتریک را افزایش دهد، مانند سرامیک پیزوالکتریک در حالت اتصال کوتاه مرزی الکتریکی بزرگتر از ثابت پیزوالکتریک معادل حالت باز است. برای سرامیک های پیزوالکتریک، حالت ارتعاش متفاوت است، ثابت پیزوالکتریک نیز متفاوت است، و ثابت پیزوالکتریک مماسی (d15) بزرگتر از ثابت پیزوالکتریک ضخامت (d33) و ثابت پیزوالکتریک شعاعی (d31) است. داده های ثابت پیزوالکتریک سرامیک های پیزوالکتریک PZT4. حساسیت سنسور الکتریکی به حساسیت سه جزء سازنده آن مربوط می شود. از آنجایی که سه جزء به صورت سری به هم متصل می شوند، حساسیت سنسور پیزوالکتریک در حساسیت سه جزء ضرب می شود. تحلیل زیر به ترتیب از استاتیک و دینامیک انجام شده است.

2.1 تجزیه و تحلیل استاتیک
تجزیه و تحلیل استاتیک به تجزیه و تحلیل رابطه بین ورودی و خروجی سنسور در شرایط حالت پایدار اشاره دارد. متغیر خروجی فقط تابعی از متغیر ورودی یعنی y=f(x) است و حساسیت آن dy است. حساسیت سنسور این است که چون یک رابطه خطی ساده بین S و F، Q و S، و U و Q در شرایط استاتیک وجود دارد، و رابطه (1) را می توان به U0=CijdijA(2) تغییر داد که در آن Cij مکانیک است ضریب انطباق الاستیک معادل سیستم. dij ثابت پیزوالکتریک معادل است مبدل سرامیکی دیسک های پیزوالکتریک

; A ضریب تقویت خط اندازه گیری است. زیرنویس ij به ترتیب جهت نیرو و جهت تغییر شکل را نشان می دهد. به منظور افزایش حساسیت سنسور پیزوالکتریک، افزایش مقدار یک یا چند عامل موثر است. در میان آنها، پتانسیل افزایش مقدار ثابت پیزوالکتریک ورق سرامیکی پیزوالکتریک بیشترین است، و ثابت پیزوالکتریک را می توان با تنظیم فرمول سرامیک پیزوالکتریک افزایش داد و پیزوالکتریک را می توان با ترکیب سری-موازی ورق های سرامیکی پیزوالکتریک بهبود بخشید. ثابت هایی مانند اتصال موازی ورق های سرامیکی پیزوالکتریک، حساسیت بار را دو برابر می کند. علاوه بر این، انتخاب مناسب شرایط الکتریکی ورق سرامیکی پیزوالکتریک نیز می تواند مقدار ثابت پیزوالکتریک را افزایش دهد، مانند سرامیک پیزوالکتریک در حالت اتصال کوتاه مرزی الکتریکی بزرگتر از ثابت پیزوالکتریک معادل حالت باز است. برای سرامیک های پیزوالکتریک، حالت ارتعاش متفاوت است، ثابت پیزوالکتریک نیز متفاوت است، و ثابت پیزوالکتریک مماسی (d15) بزرگتر از ثابت پیزوالکتریک ضخامت (d33) و ثابت پیزوالکتریک شعاعی (d31) است. این سیگنال پیوسته داده ثابت پیزوالکتریک سرامیک های پیزوالکتریک PZT-4 را نشان می دهد که ممکن است سیگنال های پالسی یا ورودی دوره ای نیز باشد. در این مرحله، ویژگی‌های خروجی سنسور دیگر حالت ثابتی ندارند، اما یک مشخصه گذار گذرا رخ می‌دهد، یعنی رابطه بین خروجی و ورودی تابعی از زمان خواهد بود. مشخصه های دینامیکی سنسور معمولاً با استفاده از ویژگی های دامنه فرکانس تحلیل می شوند. در ابتدا، ویژگی های دامنه فرکانس سیستم مکانیکی سنسور پیزوالکتریک مورد بحث قرار می گیرد. سیستم مکانیکی به طور کلی به سیستم درجه دوم تک درجه آزادی طبقه بندی می شود. رابطه دامنه-فرکانس به صورت X0=sqrt(K/m) به عنوان فرکانس طبیعی سیستم محاسبه می شود. در جایی که K ضریب سختی سیستم است، m جرم سیستم است. N ضریب میرایی نسبی است. از معادله می توان فهمید که برای مقدار معینی از N، X/X0 در بازه [0, 2/(1+4N2، ûH(jX)û یک ثابت است و اندازه آن برابر با 1/X20 است که حد بالایی حداکثر فرکانس سیستم است و 2X0/(1+4N2) است. می توان تخمین زد که ویژگی های دامنه فرکانس آن در یک محدوده فرکانس نسبتاً وسیع ثابت است، و deff در ثابت پیزوالکتریک معادل است ظرفیت بازخورد، به ترتیب در مواردی که بزرگنمایی به اندازه کافی زیاد باشد، مشخصه دامنه-فرکانس خط اندازه گیری با محاسبه رابطه دامنه-فرکانس زیر است، به طور خلاصه، زمانی که فرکانس تغییر نیروی خارجی در محدوده فرکانس اندازه گیری است.

حساسیت سنسور سرامیکی پیزوالکتریک از بحث بالا مشخص می شود. در شرایط دینامیکی، زمانی که فرکانس نیروی خارجی در محدوده باشد، حساسیت سنسور سرامیکی پیزوالکتریک به صورت دینامیک بیان می‌شود و ورق سرامیکی پیزوالکتریک با کاهش فرکانس طبیعی سیستم مکانیکی بهبود می‌یابد. ثابت پیزوالکتریک و روش کاهش ظرفیت فیدبک خط اندازه گیری می تواند حساسیت سنسور پیزوالکتریک را بهبود بخشد.

الف با توجه به تجزیه و تحلیل استاتیک، برای بهبود حساسیت سنسور پیزوالکتریک، می توان حساسیت هر جزء را بهبود بخشید، یعنی ضریب انطباق الاستیک سیستم مکانیکی، ثابت پیزوالکتریک معادل قطعه سرامیکی پیزوالکتریک و ضریب تقویت خط اندازه گیری بهبود می یابد. در میان آنها، پتانسیل افزایش ثابت پیزوالکتریک ورق سرامیکی پیزوالکتریک بیشترین میزان را دارد.
ب با توجه به تحلیل دینامیکی، حساسیت سنسور پیزوالکتریک باید در ترکیب با فرکانس تغییر نیروی خارجی در نظر گرفته شود. در محدوده مسطح ویژگی‌های دامنه فرکانس، حساسیت سنسور پیزوالکتریک را می‌توان با افزایش جرم سیستم مکانیکی، افزایش ثابت پیزوالکتریک ورق سرامیکی پیزوالکتریک و کاهش ضریب سختی سیستم مکانیکی و ظرفیت خازنی فیدبک بهبود داد.
ج در ترکیب با تجزیه و تحلیل استاتیکی و تحلیل دینامیکی، مشخص شده است که افزایش ثابت پیزوالکتریک ورق سرامیکی پیزوالکتریک می تواند به طور موثری حساسیت سنسور پیزوالکتریک را بهبود بخشد و همچنین یکی از کاربردی ترین روش ها است. این به این دلیل است که افزایش ثابت پیزوالکتریک ورق سرامیک پیزوالکتریک با تنظیم ترکیب شیمیایی سرامیک پیزوالکتریک آسان تر است. علاوه بر این، ورق سرامیکی پیزوالکتریک می تواند ثابت پیزوالکتریک موثر ورق سرامیکی پیزوالکتریک را با انتخاب یک حالت ارتعاشی مناسب و یک ترکیب سری-موازی افزایش دهد.