Pietsoefekti ja pietsosähköinen akustinen anturi

Kiinteissä väliaineissa leviävät akustiset emissiosignaalit sisältävät tunnusomaista tietoa akustisten päästöjen lähteistä. Jotta tätä tietoa voidaan käyttää heijastamaan materiaalin ominaisuuksia tai vikojen kehittymistä, on tarpeen vastaanottaa tällaisia ​​akustisia emissiosignaaleja kiinteillä pinnoilla. Akustiset emissiosignaalit ovat ohimeneviä satunnaisia ​​aaltosignaaleja, joiden pystysuuntainen siirtymä on vähintään noin 10-7,10-14 metriä. Taajuus jakautuu infraäänestä ultraääneen (useita hertsejä kymmeniin megahertseihin). Tämä edellyttää, että akustisen emission ilmaisuinstrumenteilla on korkea vastenopeus, korkea herkkyys, suuri vahvistus, laaja dynaaminen alue, vahva eston palautumiskyky ja taajuuden havaitseminen. pietsokeraaminen levykide voidaan valita. Varsinaisessa akustisen emission ilmaisuprosessissa havaitut signaalit ovat usein monimutkaisia ​​signaaleja, jotka ovat käyneet läpi useita heijastuksia ja aaltomuotomuunnoksia. Akustiset emissiosignaalit vastaanotetaan antureilla ja muunnetaan sähköisiksi signaaleiksi. Anturit antavat taajuus-herkkyyskäyrän tietyn kalibrointimenetelmän mukaisesti. Tämän perusteella voidaan valita erityyppisiä antureita eri taajuuksilla ja herkkyyksillä havaitsemistarkoituksen ja -ympäristön mukaan.

Ultraäänianturi on valmistettu periaatteella, että tiettyjen aineiden (kuten puolijohteiden, pietsokeramiikan, pietsosähköisten kiteiden, ferromagneettisten kappaleiden ja suprajohteiden) fyysiset ominaisuudet muuttuvat mitattavan ulkopuolen mukaan. Se käyttää monia vaikutuksia (mukaan lukien fysikaaliset vaikutukset, kemialliset vaikutukset ja biologiset vaikutukset) ja fysikaalisia ilmiöitä, kuten pietsokestävyys, kosteusherkkyys, lämpöherkkyys, valoherkkyys, magneettinen herkkyys ja materiaalien kaasuherkkyys. Siirtymä, magneettikenttä, kaasu mitataan ja muunnetaan sähköksi. Uusien periaatteiden, uusien vaikutusten löytäminen ja hyödyntäminen sekä uusien fyysisten materiaalien kehittäminen ja soveltaminen ovat johtaneet fyysisten antureiden kehittämiseen. Siksi on välttämätöntä ymmärtää eri vaikutukset, joihin anturit perustuvat, ja ymmärtää, kehittää ja soveltaa niitä. Akustisen emission ilmaisuprosessissa käytetään yleensä pietsosähköistä efektiä.

Pietsosähköinen vaikutus on palautuva, mikä on yleinen termi positiivisille ja negatiivisille pietsosähköisille vaikutuksille. Positiivista pietsosähköistä vaikutusta on tapana kutsua pietsosähköiseksi efektiksi.

Kun tietyt dielektriset materiaalit Pzt-materiaalista pietsosähköistä keramiikkaa muotoutuu ulkoinen voima tiettyyn suuntaan, eristemateriaalin tietyille pinnoille syntyy erimerkkisiä positiivisia ja negatiivisia varauksia. Kun ulkoinen voima on poistettu, ne palaavat varautumattomaan tilaan. Tätä ilmiötä kutsutaan positiiviseksi pietsosähköiseksi efektiksi. Dielektrisen voiman synnyttämä varaus on verrannollinen ulkoisen voiman suuruuteen. Suhteellisuuskerroin on pietsosähköinen vakio, joka liittyy mekaanisen muodonmuutoksen suuntaan. Se on vakio tietyn materiaalin tietylle suunnalle. Dielektrisen voiman synnyttämän varauksen napaisuus riippuu muodonmuutoksen muodosta (puristus tai venymä). Materiaaleja, joilla on merkittäviä pietsosähköisiä vaikutuksia, kutsutaan pietsosähköisiksi materiaaleiksi. Yleisesti käytettyjä ovat yksittäiskiteet, kuten kvartsikiteet, litiumniobaatti LiNbO3, litiumgallaatti LiGaO3, vismuttigermanaatti Bi12GeO20 ja monikiteet, kuten bariumtitanaatti polarisaatiokäsittelyn jälkeen. Sähköinen pietsokeramiikka, lyijy-zirkonaattititanaatti-sarja pietsosähköinen keramiikka PZT. Uusia pietsosähköisiä materiaaleja ovat polymeeriset pietsosähköiset kalvot (kuten polyvinylideenifluoridi PVDF) ja pietsosähköiset puolijohteet (kuten ZnO, CdS). Yksikidemateriaalien pietsosähköinen vaikutus johtuu näiden yksittäisten kiteiden sisäisen meridiaanirakenteen muodonmuutoksesta, kun ne altistetaan ulkoiselle jännitykselle, mikä aiheuttaa alkuperäisen makroskooppisesti neutraalin tilan tuhoutumisen ja johtaa polarisaatioon. Pietsosähköinen keramiikka ja polymeeripietsosähköiset kalvot polarisaation jälkeen (voimakas sähkökenttä kohdistetaan tietyssä lämpötilassa) ovat seurausta sähködomeenien ja elektrodiparien polarisaatiosta.

Pietsosähköiset anturit valmistetaan käyttämällä positiivista pietsosähköistä vaikutusta, joka muuntaa ei-sähköistä energiaa, kuten painetta, tärinää, kiihtyvyyttä jne. Sähköenergiaa käytetään tarkkaan mittaukseen.

Kun sähkökenttä kohdistetaan dielektrisen polarisaation suuntaan Pzt8 pietsokeraamiset rengaskomponentit , jotkut eristeet aiheuttavat mekaanista muodonmuutosta tai mekaanista rasitusta tiettyyn suuntaan. Kun ulkoinen sähkökenttä poistetaan, myös muodonmuutos tai jännitys häviää. Tätä fysikaalista ilmiötä kutsutaan käänteispietsosähköiseksi efektiksi. Käänteistä pietsosähköistä vaikutusta käyttämällä voidaan valmistaa ultraäänigeneraattoreita, pietsosähköisiä kaiuttimia, pietsokideoskillaattorit, joilla on erittäin vakaa taajuus (kuten kvartsikellot ja kellot, joissa on päivä- ja yövirhe). Käänteistä pietsosähköistä efektiä voidaan käyttää akustisen emissiosignaalin tuottamiseen. Koska pietsosähköisillä muunnoselementeillä on kaksi tärkeää ominaisuutta itsestään generoituvia ja palautuvia, sekä pieni koko, kevyt paino, yksinkertainen rakenne, luotettava toiminta, korkea luonnollinen taajuus, korkea herkkyys ja korkea signaali-kohinasuhde, pietsosähköisten antureiden sovellus kehittyy nopeasti. Erilaisia jännitegeneraattoreita, kuten pietsosähköisiä virtalähteitä, kaasuliesiä ja automoottoreiden itsesytytyslaitteita, jotka on kehitetty käyttämällä testaustekniikan positiivista pietsosähköistä vaikutusta, pietsosähköinen muunnoselementti on tyypillinen voimantunnistuselementti, joka pystyy mittaamaan lopullisen muuttuvan .Ne fyysiset suureet, jotka muodostavat voiman, pietsoshokkisensorin, esim. paineen, sovelluksen tärinän ja kiihtyvyyden. voidaan nähdä monilla aloilla, kuten akustiikka, mekaniikka, lääketiede ja ilmailu. Merkittävämpää on, että biopietsosähköisten tulosten mukaan on tunnustettu, että elävillä olennoilla on pietsosähköä, ja useat ihmisen aistielimet ovat itse asiassa biopietsosähköisiä antureita. Jos murtuma hoidetaan positiivisen pietsosähköisen vaikutuksen mukaisesti, paranemista voidaan nopeuttaa; käänteistä pietsosähköistä vaikutusta voidaan käyttää tehostamaan luita epämuodostuneiden luiden ja muiden toimintojen korjaamiseksi. Pietsosähköisten muunnoselementtien suurin haittapuoli on, että niissä ei ole staattista lähtöä, mikä vaatii korkean sähköisen lähtöimpedanssin ja vaativat matalakapasitanssin ja hiljaisia ​​kaapeleita. Monien pietsosähköisten materiaalien käyttölämpötila on vain noin 250 °C.