पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक ट्रांसड्यूसर घटकों की संवेदनशीलता पर अनुसंधान

पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव के कारण, पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक सीधे गैर-बिजली को बिजली में परिवर्तित कर सकता है, और संरचना की संरचना को समायोजित करके  या पीजोसेरेमिक शीट्स के संयोजन को बदलकर इसके पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक में काफी सुधार किया जा सकता है, जिससे इसकी संवेदनशीलता में प्रभावी ढंग से सुधार होता है। इसलिए, संवेदनशील तत्वों के रूप में ट्रांसड्यूसर पाई ईज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक पर अधिक से अधिक ध्यान दिया जा रहा है। पीज़ोइलेक्ट्रिक सेंसर का मूल सिद्धांत और संरचना संक्षेप में प्रस्तुत की गई है। पीज़ोइलेक्ट्रिक सेंसर की संवेदनशीलता को प्रभावित करने वाले कारकों पर स्थैतिक और गतिशील से विस्तार से चर्चा की गई है। इस आधार पर, संवेदनशीलता में सुधार के लिए एक प्रभावी तरीका प्राप्त किया जाता है।

सेंसर डिटेक्शन फ़ंक्शन वाला एक उपकरण है जिसका व्यापक रूप से उद्योग, कृषि, राष्ट्रीय रक्षा और चिकित्सा के क्षेत्र में उपयोग किया जाता है। इसे 'इलेक्ट्रिक फाइव' कहा जाता है, जो मानव चेहरे की विशेषताओं के कार्यों का अनुकरण करके विभिन्न गैर-विद्युत मात्राओं का पता लगाता है । पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव वाले पीजो राउंड डिस्क ट्रांसड्यूसर सेंसर बनाने के लिए पीजेडटी सामग्रियों में से एक हैं। पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर जिनसे परिचित हैं उनमें पीजोइलेक्ट्रिक एक्सेलेरोमीटर, पीजोइलेक्ट्रिक गायरोस, पीजोइलेक्ट्रिक दबाव गेज और गैल्वेनोमीटर शामिल हैं। प्रौद्योगिकी की प्रगति के साथ, कई नए सेंसर का जन्म हुआ है, और मौजूदा सेंसर के प्रदर्शन में भी सुधार हुआ है। संवेदनशीलता सेंसर का एक महत्वपूर्ण संकेतक है। निम्नलिखित कारक  स्थिर और गतिशील दोनों पहलुओं से सेंसर संवेदनशीलता को प्रभावित करने वाले कारकों पर चर्चा करते हैं।

बुनियादी  पी सिद्धांत और  पी का संयोजन  सी यानी इरेज़ोइलेक्ट्रिक  एरेमिक एन्सर्स  sऐसे उपकरण हैं जो तनाव (या तनाव) को वोल्टेज (या चार्ज) में परिवर्तित करने के लिए पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट के पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव का उपयोग करते हैं और फिर उन्हें एक एम्पलीफायर के माध्यम से बढ़ाते और आउटपुट करते हैं। पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट प्रमुख घटक हैं। सिग्नल रूपांतरण के दृष्टिकोण से, पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट एक चार्ज जनरेटर के बराबर हैं।

पीज़ ओसेरेमिक सेंसर एक यांत्रिक प्रणाली से बना है जो बाहरी बल को पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट, एक पीज़ो इलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट और एक मापने वाले सर्किट तक पहुंचाता है जो विद्युत चार्ज को मीटर में स्थानांतरित करता है। यांत्रिक प्रणाली पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट को माउंट करने और ठीक करने के लिए एक ब्रैकेट भाग है। सिस्टम बाहरी दुनिया के सीधे संपर्क में है, और जब बाहरी बल के अधीन होता है, तो ब्रैकेट और पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट एक साथ विकृत हो जाते हैं। पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट विरूपण द्वारा चार्ज आउटपुट उत्पन्न करती है। माप रेखा चार्ज को बढ़ाती है और इसे वोल्टेज आउटपुट में बदल देती है।

2 पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर की संवेदनशीलता को प्रभावित करने वाले कारक

ए की संवेदनशीलता पीजोइलेक्ट्रिक डिस्क ट्रांसड्यूसर  आउटपुट की एक छोटी वृद्धि और संबंधित इनपुट की एक छोटी वृद्धि का अनुपात है। अनुपात जितना अधिक होगा, संवेदनशीलता उतनी ही अधिक होगी। पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर की संवेदनशीलता इसे बनाने वाले तीन भागों की संवेदनशीलता से संबंधित है। चूंकि तीन भाग श्रृंखला में जुड़े हुए हैं, इसलिए पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर की संवेदनशीलता तीन भागों की संवेदनशीलता से कई गुना बढ़ जाती है। निम्नलिखित विश्लेषण क्रमशः स्थैतिक और गतिशील से किया जाता है। 

2.1 स्थैतिक विश्लेषण
स्थैतिक विश्लेषण स्थिर स्थिति स्थितियों के तहत सेंसर के इनपुट और आउटपुट के बीच संबंध के विश्लेषण को संदर्भित करता है। आउटपुट वेरिएबल केवल इनपुट वेरिएबल का एक फ़ंक्शन है, यानी y=f(x), और इसकी संवेदनशीलता dy है।

(1) चूंकि स्थैतिक परिस्थितियों में एस और एफ, क्यू और एस, और यू और क्यू के बीच एक सरल रैखिक संबंध है, इसे U0=CijdijA में बदला जा सकता है, जहां Cij यांत्रिक प्रणाली का समतुल्य लोचदार अनुपालन गुणांक है; डिज, पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक का समतुल्य पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक है; ए मापने वाली रेखा का प्रवर्धन कारक है; सबस्क्रिप्ट ij क्रमशः बल की दिशा और विरूपण की दिशा को दर्शाता है। पीज़ोइलेक्ट्रिक सेंसर की संवेदनशीलता को बढ़ाने के लिए, एक या अधिक कारकों के मूल्य को बढ़ाना प्रभावी है। उनमें से, पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट के पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक मूल्य को बढ़ाने की क्षमता सबसे बड़ी है, और पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक के फॉर्मूलेशन को समायोजित करके पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक को बढ़ाया जा सकता है, और पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट के श्रृंखला-समानांतर संयोजन द्वारा पीजोइलेक्ट्रिकिटी में सुधार किया जा सकता है। स्थिरांक, जैसे कि पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट का समानांतर कनेक्शन, चार्ज संवेदनशीलता को दोगुना कर देता है। इसके अलावा, पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट की विद्युत स्थितियों का उचित चयन भी पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक के मूल्य को बढ़ा सकता है, जैसे कि विद्युत सीमा शॉर्ट-सर्किट अवस्था में पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक खुले राज्य के समतुल्य पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक से बड़ा होता है। पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक के लिए, कंपन मोड अलग है, पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक भी अलग है, और स्पर्शरेखा पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक (डी15) मोटाई पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक (डी33) और रेडियल पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक (डी31) से बड़ा है। PZT4 पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक का पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक डेटा। विद्युत सेंसर की संवेदनशीलता इसे बनाने वाले तीन घटकों की संवेदनशीलता से संबंधित है। चूंकि तीन घटक श्रृंखला में जुड़े हुए हैं, इसलिए पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर की संवेदनशीलता तीन घटकों की संवेदनशीलता से कई गुना बढ़ जाती है। निम्नलिखित विश्लेषण क्रमशः स्थैतिक और गतिशील से किया जाता है।

2.1 स्थैतिक विश्लेषण
स्थैतिक विश्लेषण स्थिर स्थिति स्थितियों के तहत सेंसर के इनपुट और आउटपुट के बीच संबंध के विश्लेषण को संदर्भित करता है। आउटपुट वेरिएबल केवल इनपुट वेरिएबल का एक फ़ंक्शन है, यानी y=f(x), और इसकी संवेदनशीलता dy है। सेंसर की संवेदनशीलता यह है कि क्योंकि स्थैतिक स्थितियों के तहत एस और एफ, क्यू और एस, और यू और क्यू के बीच एक सरल रैखिक संबंध है, और समीकरण (1) को यू0 = सीजडीजेए (2) में बदला जा सकता है जहां सीआईजे यांत्रिकी प्रणाली का समतुल्य लोचदार अनुपालन गुणांक है; dij का समतुल्य पीज़ोइलेक्ट्रिक स्थिरांक है पेइज़ोइलेक्ट्रिक डिस्क सिरेमिक ट्रांसड्यूसर

; ए मापने वाली रेखा का प्रवर्धन कारक है; सबस्क्रिप्ट ij क्रमशः बल की दिशा और विरूपण की दिशा को दर्शाता है। पीज़ोइलेक्ट्रिक सेंसर की संवेदनशीलता को बढ़ाने के लिए, एक या अधिक कारकों के मूल्य को बढ़ाना प्रभावी है। उनमें से, पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट के पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक मूल्य को बढ़ाने की क्षमता सबसे बड़ी है, और पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक के फॉर्मूलेशन को समायोजित करके पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक को बढ़ाया जा सकता है, और पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट के श्रृंखला-समानांतर संयोजन द्वारा पीजोइलेक्ट्रिकिटी में सुधार किया जा सकता है। स्थिरांक, जैसे कि पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट का समानांतर कनेक्शन, चार्ज संवेदनशीलता को दोगुना कर देता है। इसके अलावा, पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट की विद्युत स्थितियों का उचित चयन भी पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक के मूल्य को बढ़ा सकता है, जैसे कि विद्युत सीमा शॉर्ट-सर्किट अवस्था में पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक खुले राज्य के समतुल्य पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक से बड़ा होता है। पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक के लिए, कंपन मोड अलग है, पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक भी अलग है, और स्पर्शरेखा पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक (डी15) मोटाई पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक (डी33) और रेडियल पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक (डी31) से बड़ा है। यह PZT-4 पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक के पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक डेटा निरंतर सिग्नल को दर्शाता है, जो पल्स सिग्नल या आवधिक इनपुट भी हो सकता है। इस बिंदु पर, सेंसर की आउटपुट विशेषताएँ अब स्थिर स्थिति में नहीं हैं, बल्कि एक क्षणिक संक्रमण विशेषता होती है, अर्थात, आउटपुट और इनपुट के बीच संबंध समय का एक कार्य होगा। सेंसर की गतिशील विशेषताओं का विश्लेषण आमतौर पर आयाम-आवृत्ति विशेषताओं का उपयोग करके किया जाता है। सबसे पहले, पीज़ोइलेक्ट्रिक सेंसर की यांत्रिक प्रणाली की आयाम-आवृत्ति विशेषताओं पर चर्चा की जाती है। यांत्रिक प्रणाली को आम तौर पर एकल-डिग्री-स्वतंत्रता वाले दूसरे-क्रम प्रणाली में वर्गीकृत किया जाता है। आयाम-आवृत्ति संबंध की गणना सिस्टम की प्राकृतिक आवृत्ति के रूप में X0=sqrt(K/m) के रूप में की जाती है। जहाँ K प्रणाली का कठोरता गुणांक है, m प्रणाली का द्रव्यमान है; एन सापेक्ष अवमंदन गुणांक है। समीकरण से यह ज्ञात हो सकता है कि N के एक निश्चित मान के लिए, X/X0 अंतराल में है [0, 2/(1+4N2, ûH(jX)û एक स्थिरांक है, और आकार 1/X20 के बराबर है, जो सिस्टम की अधिकतम आवृत्ति की ऊपरी सीमा है। यह 2X0/(1+4N2 है)। पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट के गतिशील विश्लेषण के संबंध में, चर्चा की सुविधा के लिए, यह अनुमान लगाया जा सकता है कि इसकी आयाम-आवृत्ति विशेषताएँ काफी व्यापक आवृत्ति सीमा पर स्थिर होती हैं, और डीईएफ पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक में समतुल्य होता है। अंत में, चार्ज एम्पलीफायर को एक उदाहरण के रूप में लेते हुए, री माप रेखा का इनपुट प्रतिरोध है; आरएफ और सीएफ क्रमशः प्रतिक्रिया प्रतिरोध और प्रतिक्रिया क्षमता हैं माप रेखा की आयाम-आवृत्ति विशेषता निम्नलिखित आयाम-आवृत्ति संबंध की गणना करते हुए सपाट है, अर्थात, Xm1/RfCf। संक्षेप में, जब बाहरी बल की भिन्नता की आवृत्ति सीमा के भीतर होती है। पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर की आयाम-आवृत्ति विशेषता समतल होती है।

उपरोक्त चर्चा से पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक सेंसर की संवेदनशीलता ज्ञात होती है। गतिशील परिस्थितियों में, जब बाहरी बल की आवृत्ति सीमा के भीतर होती है, तो पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक सेंसर की संवेदनशीलता गतिशील के रूप में व्यक्त की जाती है, और यांत्रिक प्रणाली की प्राकृतिक आवृत्ति को कम करके पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट में सुधार किया जाता है। पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक और मापने वाली लाइन की फीडबैक कैपेसिटेंस को कम करने की विधि पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर की संवेदनशीलता में सुधार कर सकती है।

एक। स्थैतिक विश्लेषण के अनुसार, पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर की संवेदनशीलता में सुधार करने के लिए, प्रत्येक घटक की संवेदनशीलता में सुधार किया जा सकता है, अर्थात, यांत्रिक प्रणाली के लोचदार अनुपालन गुणांक, पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक टुकड़े के समतुल्य पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक और मापने की रेखा के प्रवर्धन कारक में सुधार किया जाता है। उनमें से, पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट के पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक को बढ़ाने की क्षमता सबसे बड़ी है।
बी। गतिशील विश्लेषण के अनुसार, पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर की संवेदनशीलता को बाहरी बल के परिवर्तन की आवृत्ति के साथ संयोजन में माना जाना चाहिए। आयाम-आवृत्ति विशेषताओं की समतल श्रेणी में, यांत्रिक प्रणाली के द्रव्यमान को बढ़ाकर, पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट के पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक को बढ़ाकर, और यांत्रिक प्रणाली की कठोरता गुणांक और मापने वाली लाइन की फीडबैक कैपेसिटेंस को कम करके पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर की संवेदनशीलता में सुधार किया जा सकता है।
सी। स्थैतिक विश्लेषण और गतिशील विश्लेषण के साथ संयुक्त, यह ज्ञात है कि पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट के पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक को बढ़ाने से पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर की संवेदनशीलता में प्रभावी ढंग से सुधार हो सकता है, और यह सबसे व्यावहारिक तरीकों में से एक भी है। ऐसा इसलिए है क्योंकि पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक की रासायनिक संरचना को समायोजित करके पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट के पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक को बढ़ाना आसान है। इसके अलावा, पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट एक उपयुक्त कंपन मोड और श्रृंखला-समानांतर संयोजन का चयन करके पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट के प्रभावी पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक को बढ़ा सकती है।