Piezo efekt i piezoelektrični akustični senzor

Signali akustične emisije koji se šire u čvrstom mediju sadrže karakteristične informacije o izvorima akustične emisije. Da bi se te informacije koristile za odraz karakteristika materijala ili razvoja nedostataka, potrebno je primiti takve signale akustične emisije na čvrstim površinama. Signali akustične emisije prolazni su nasumični valni signali s minimalnim vertikalnim pomakom od oko 10-7,10-14 metara. Frekvencija je raspoređena u frekvencijskom području od infrazvuka do ultrazvuka (od nekoliko herca do desetaka megaherca). To zahtijeva da instrumenti za detekciju akustične emisije imaju veliku brzinu odziva, visoku osjetljivost, veliko pojačanje, širok dinamički raspon, snažnu sposobnost povrata blokiranja i detekciju frekvencije piezo keramički disk kristal . može se odabrati U stvarnom procesu detekcije akustične emisije, detektirani signali često su složeni signali koji su prošli višestruke refleksije i transformacije valnog oblika. Signale akustične emisije primaju senzori i pretvaraju u električne signale. Senzori daju krivulju frekvencije-osjetljivosti prema specifičnoj metodi kalibracije. Na temelju toga mogu se odabrati različite vrste senzora s različitim frekvencijama i osjetljivostima prema namjeni i okruženju detekcije.

Ultrazvučni senzor izrađen je na temelju načela da se fizikalne karakteristike određenih tvari (kao što su poluvodiči, piezo keramika, piezoelektrični kristali, feromagnetska tijela i supravodiči) mijenjaju s vanjskom površinom koja se mjeri. Koristi mnoge učinke (uključujući fizičke učinke, kemijske učinke i biološke učinke) i fizikalne fenomene, poput upotrebe piezo otpornosti, osjetljivosti na vlagu, osjetljivosti na toplinu, osjetljivosti na svjetlost, magnetske osjetljivosti i osjetljivosti materijala na plin. Pomak, magnetsko polje, plin se mjeri i pretvara u električnu energiju. Otkriće i korištenje novih principa, novih učinaka te razvoj i primjena novih fizičkih materijala doveli su do razvoja fizičkih senzora. Stoga je potrebno razumjeti različite učinke na kojima se senzori temelje te ih razumjeti, razviti i primijeniti. U procesu detekcije akustične emisije obično se koristi piezoelektrični efekt.

Piezoelektrični učinak je reverzibilan, što je opći naziv za pozitivne i negativne piezoelektrične efekte. Uobičajeno je da se pozitivni piezoelektrični efekt naziva piezoelektričnim efektom.

Kada određeni dielektrični materijali od Pzt materijal piezoelektrična keramika deformira se vanjskom silom u određenom smjeru, pozitivni i negativni naboji različitih predznaka generiraju se na određenim površinama dielektričnog materijala. Nakon uklanjanja vanjske sile vraćaju se u nenabijeno stanje. Taj se fenomen naziva pozitivnim piezoelektričnim efektom. Naboj koji stvara dielektrična sila proporcionalan je veličini vanjske sile. Koeficijent proporcionalnosti je piezoelektrična konstanta, koja je povezana sa smjerom mehaničke deformacije. Konstantan je za određeni smjer određenog materijala. Polaritet naboja koji stvara dielektrična sila ovisi o obliku deformacije (kompresija ili istezanje). Materijali sa značajnim piezoelektričnim učinkom nazivaju se piezoelektrični materijali. Obično se koriste monokristali kao što su kvarcni kristali, litijev niobat LiNbO3, litijev galat LiGaO3, bizmutov germanat Bi12GeO20 i polikristali kao što je barijev titanat nakon polarizacijske obrade. Električna piezo keramika, olovo cirkonat titanat serija piezoelektrične keramike PZT. Novi piezoelektrični materijali uključuju polimerne piezoelektrične filmove (kao što je poliviniliden fluorid PVDF) i piezoelektrične poluvodiče (kao što su ZnO, CdS). Piezoelektrični učinak monokristalnih materijala nastaje zbog deformacije unutarnje meridijanske strukture tih monokristala kada su podvrgnuti vanjskom stresu, što uzrokuje uništavanje izvornog makroskopski neutralnog stanja i rezultira polarizacijom. Piezoelektrična keramika i polimerni piezoelektrični filmovi nakon polarizacije (primijenjeno je jako električno polje na određenoj temperaturi) rezultat su polarizacije električnih domena i parova elektroda.

Piezoelektrični senzori izrađeni su korištenjem pozitivnog piezoelektričnog učinka koji pretvara neelektričnu energiju kao što je tlak, vibracije, ubrzanje itd. Električna energija se koristi za precizno mjerenje.

Kada se električno polje nanese u smjeru polarizacije dielektrika od Pzt8 piezokeramičke prstenaste komponente , neki će dielektrici proizvesti mehaničku deformaciju ili mehaničko naprezanje u određenom smjeru. Kada se vanjsko električno polje ukloni, deformacija ili stres također nestaju. Ovaj fizikalni fenomen naziva se inverzni piezoelektrični efekt. Korištenjem inverznog piezoelektričnog učinka mogu se napraviti ultrazvučni generatori, piezoelektrični zvučnici, piezo kristalni oscilatori s vrlo stabilnom frekvencijom (kao što su kvarcni satovi i satovi s dnevnom i noćnom greškom). Inverzni piezoelektrični efekt može se koristiti za generiranje signala akustične emisije. Budući da piezoelektrični pretvorbeni elementi imaju dva važna svojstva: samogeneriranje i reverzibilnost, plus njihovu malu veličinu, malu težinu, jednostavnu strukturu, pouzdan rad, visoku prirodnu frekvenciju, visoku osjetljivost i visok omjer signala i šuma, primjena piezoelektričnih senzora brzo se razvija. Različiti generatori napona kao što su piezoelektrični izvori energije, plinski štednjaci i uređaji za automatsko paljenje za automobilske motore razvijeni korištenjem pozitivnog piezoelektričnog učinka u tehnologiji testiranja, piezoelektrični pretvorbeni element tipičan je element za osjet sile, koji može mjeriti konačnu promjenjivost. Te fizičke veličine koje tvore silu, kao što su pritisak, ubrzanje, mehanički udar i vibracije, dakle, primjena piezoelektrični senzori mogu se vidjeti u širokom rasponu područja kao što su akustika, mehanika, medicina i zrakoplovstvo. Ono što je još značajnije je to što je prema rezultatima biopiezoelektrike prepoznato da živa bića imaju piezoelektricitet, a razni ljudski osjetilni organi zapravo su biopiezoelektrični senzori. Ako se prijelom liječi prema pozitivnom piezoelektričnom učinku, cijeljenje se može ubrzati; inverzni piezoelektrični učinak može se koristiti za napajanje kostiju radi ispravljanja deformiranih kostiju i drugih funkcija. Glavni nedostatak piezoelektričnih pretvorbenih elemenata je taj što nemaju statički izlaz, što zahtijeva visoku električnu izlaznu impedanciju, te zahtijevaju kabele niskog kapaciteta i niske razine buke. Radna temperatura mnogih piezoelektričnih materijala je samo oko 250 °C.