Uvod u funkciju piezoelektričnog keramičkog pretvornika

Piezoelektrični pretvarači su ultrazvučni senzori izrađeni korištenjem piezoelektričnog učinka koji proizvode određeni dielektrici. Takozvani piezoelektrični učinak odnosi se na pojavu da kada određeni dielektrici budu podvrgnuti deformaciji (uključujući deformaciju savijanja i istezanja) zbog polarizacije unutarnjih naboja, oni će generirati naboje na svojoj površini kada ih deformiraju vanjske sile u određenom smjeru. Piezoelektrični materijali mogu se podijeliti na piezoelektrične monokristale, piezoelektrične polikristalne i organske piezoelektrične materijale. Najčešće korišteni piezoelektrični pretvarači su različiti tipovi piezoelectric ceramics cijev koja pripada piezoelektričnim polikristalima i kvarcnim kristalima u piezoelektričnim monokristalima. Ostali piezoelektrični monokristali uključuju litij niobat, litij tantalat, litij galat i bizmut germanat pogodan za okruženja zračenja visoke temperature.

Uvod u karakteristike piezoelektričnih keramičkih senzora

Piezoelektrična keramika uključuje keramiku barij titanata koja pripada binarnom sustavu, keramiku serije olovo cirkonat titanat, keramiku serije niobata i keramiku serije olovo magnezij niobata koja pripada ternarnom sustavu. Prednosti prilagođene piezoelektrične hemisfere su pogodne za paljenje, jednostavno oblikovanje, otpornost na vlagu i visoke temperature. Nedostatak je što ima piroelektricitet, koji će ometati mjerenje mehaničkih veličina. Piezoelektrični materijali uključuju više od deset vrsta polimernih materijala kao što su poliviniliden fluorid, polivinil fluorid i najlon. Piezoelektrični materijali mogu se masovno proizvoditi i izraditi na većim površinama. Ima jedinstvene prednosti u usklađivanju akustičnog otpora zraka i nova je vrsta elektroakustičnog materijala s velikim razvojnim potencijalom. Od 1960-ih otkriveni su kristali sa svojstvima poluvodiča i piezoelektričnim svojstvima, kao što su cinkov sulfid, cinkov oksid i kalcijev sulfid. Upotreba PZT materijala može se pretvoriti u novu vrstu piezoelektričnog senzora koji integrira osjetljive komponente i elektroničke sklopove, što je vrlo obećavajuće.

Primjena piezoelektričnog senzora: piezoelektrični keramički senzor ima jednostavnu strukturu, malu veličinu, malu masu, nisku potrošnju energije, dug životni vijek, posebno ima dobre dinamičke karakteristike, tako da je prikladan za široki pojas periodične sile i brzu promjenu udarne sile.

dinamičko mjerenje piezoelektričnog keramičkog senzora

Piezoelektrični senzori mogu se koristiti samo za dinamička mjerenja

Budući da se naboj generiran vanjskom silom koja djeluje na piezoelektrični element može pohraniti samo bez curenja, to jest, mjerenje mora imati beskonačnu ulaznu impedanciju, što je praktički nemoguće, pa se piezoelektrični senzor ne može koristiti za statičko mjerenje.

Pod djelovanjem izmjenične sile, piezoelektrični element može kontinuirano nadopunjavati naboj i može dovoditi određenu struju u mjerni krug, tako da je prikladan samo za dinamičko mjerenje (općenito mora biti veći od 100 Hz, ali iznad 50 kHz, osjetljivost se smanjuje).

Mjerenje piezoelektričnog keramičkog senzora:

(1) Mjerenje sile Piezoelektrični senzori uglavnom koriste uzdužne i posmične piezoelektrične učinke piezo keramički disk kvarcni kristali, jer kvarcni kristali imaju veliku krutost, nisku histerezu, visoku osjetljivost, dobru linearnost, široku radnu frekvenciju i nisku piroelektričnost. Uz mjerenje jednosmjerne sile, senzor sile također može koristiti više kristala s različitim smjerovima rezanja za mjerenje višesmjerne sile ovisno o različitim piezoelektričnim učincima, kao što je trosmjerna komponenta sile prostorne sile Fx, Fy, Fz

(2) Mjerenje tlaka: Piezoelektrični senzori tlaka uglavnom koriste elastične elemente (dijafragmu, klip, itd.) za skupljanje tlaka i stvaranje sile koja djeluje na kristal, jer svojstva PZT materijala koji se koristi u elastičnom elementu imaju veliki utjecaj na karakteristike senzora.

(3) Mjerenje ubrzanja: piezoelektrični senzor ubrzanja koristi masu koju treba pritisnuti na kristal silom predopterećenja. Kada djeluje mjerno ubrzanje, piezo kristal će biti podvrgnut inercijskoj sili, koja proizvodi piezoelektrični učinak. Stoga kvaliteta mase određuje osjetljivost senzora i također utječe na visokofrekventni odziv senzora.