Efek piezo dan sensor akustik piezoelektrik

Sinyal emisi akustik yang merambat pada media padat mengandung informasi karakteristik sumber emisi akustik. Untuk menggunakan informasi ini untuk mencerminkan karakteristik material atau perkembangan cacat, perlu untuk menerima sinyal emisi akustik pada permukaan padat. Sinyal emisi akustik merupakan sinyal gelombang acak transien dengan perpindahan vertikal minimal sekitar 10-7,10-14 meter. Frekuensi didistribusikan dalam rentang frekuensi infrasonik hingga ultrasonik (beberapa hertz hingga puluhan megahertz). Hal ini memerlukan instrumen pendeteksi emisi akustik yang memiliki kecepatan respons tinggi, sensitivitas tinggi, penguatan tinggi, rentang dinamis lebar, kemampuan pemulihan pemblokiran yang kuat, dan deteksi frekuensi. kristal cakram keramik piezo dapat dipilih. Dalam proses pendeteksian emisi akustik sebenarnya, sinyal yang terdeteksi seringkali merupakan sinyal kompleks yang telah mengalami banyak refleksi dan transformasi bentuk gelombang. Sinyal emisi akustik diterima oleh sensor dan diubah menjadi sinyal listrik. Sensor memberikan kurva sensitivitas frekuensi sesuai dengan metode kalibrasi tertentu. Berdasarkan hal ini, berbagai jenis sensor dengan frekuensi dan sensitivitas berbeda dapat dipilih sesuai dengan tujuan dan lingkungan pendeteksian.

Sensor ultrasonik dibuat berdasarkan prinsip bahwa karakteristik fisik zat tertentu (seperti semikonduktor, keramik piezo, kristal piezoelektrik, benda feromagnetik, dan superkonduktor) berubah seiring dengan perubahan bagian luar yang akan diukur. Ini menggunakan banyak efek (termasuk efek fisik, efek kimia, dan efek biologis) dan fenomena fisik, seperti penggunaan ketahanan piezo, sensitivitas kelembaban, sensitivitas panas, sensitivitas cahaya, sensitivitas magnetik, dan sensitivitas gas bahan. Perpindahan, medan magnet, gas diukur dan diubah menjadi listrik. Penemuan dan pemanfaatan prinsip-prinsip baru, efek-efek baru, serta pengembangan dan penerapan material fisik baru telah mengarah pada pengembangan sensor fisik. Oleh karena itu, penting untuk memahami berbagai efek yang menjadi dasar sensor, dan untuk memahami, mengembangkan, dan menerapkannya. Dalam proses pendeteksian emisi akustik biasanya digunakan efek piezoelektrik.

Efek piezoelektrik bersifat reversibel, yaitu istilah umum untuk efek piezoelektrik positif dan negatif. Efek piezoelektrik positif biasanya disebut sebagai efek piezoelektrik.

Ketika bahan dielektrik tertentu Keramik piezoelektrik bahan Pzt mengalami deformasi oleh gaya eksternal dalam arah tertentu, muatan positif dan negatif dengan tanda berbeda dihasilkan pada permukaan tertentu dari bahan dielektrik. Setelah gaya eksternal dihilangkan, mereka kembali ke keadaan tidak bermuatan. Fenomena ini disebut efek piezoelektrik positif. Muatan yang dihasilkan oleh gaya dielektrik sebanding dengan besarnya gaya luar. Koefisien proporsionalitas merupakan konstanta piezoelektrik yang berhubungan dengan arah deformasi mekanis. Itu konstan untuk arah tertentu dari material tertentu. Polaritas muatan yang dihasilkan oleh gaya dielektrik bergantung pada bentuk deformasi (kompresi atau elongasi). Bahan yang mempunyai efek piezoelektrik yang signifikan disebut bahan piezoelektrik. Yang umum digunakan adalah kristal tunggal seperti kristal kuarsa, litium niobate LiNbO3, litium galat LiGaO3, bismut germanat Bi12GeO20, dan polikristal seperti barium titanat setelah perlakuan polarisasi. Keramik piezo listrik, keramik piezoelektrik seri zirkonat titanat timbal PZT. Bahan piezoelektrik baru termasuk film piezoelektrik polimer (seperti polivinilidena fluorida PVDF) dan semikonduktor piezoelektrik (seperti ZnO, CdS). Efek piezoelektrik bahan kristal tunggal disebabkan oleh deformasi struktur meridian internal kristal tunggal ini ketika terkena tekanan eksternal, yang menyebabkan keadaan netral makroskopis asli hancur dan mengakibatkan polarisasi. Keramik piezoelektrik dan film piezoelektrik polimer setelah polarisasi (medan listrik kuat diterapkan pada suhu tertentu) merupakan hasil polarisasi domain listrik dan pasangan elektroda.

Sensor piezoelektrik dibuat menggunakan efek piezoelektrik positif yang mengubah energi non-listrik seperti tekanan, getaran, percepatan, dll. Energi listrik digunakan untuk pengukuran yang tepat.

Ketika medan listrik diterapkan dalam arah polarisasi dielektrik Komponen cincin piezoceramic Pzt8 , beberapa dielektrik akan menghasilkan deformasi mekanis atau tekanan mekanis pada arah tertentu. Ketika medan listrik luar dihilangkan, deformasi atau tegangan juga hilang. Fenomena fisik ini disebut efek piezoelektrik terbalik. Memanfaatkan efek piezoelektrik terbalik dapat dibuat menjadi generator ultrasonik, speaker piezoelektrik, osilator kristal piezo dengan frekuensi yang sangat stabil (seperti jam kuarsa dan jam tangan dengan kesalahan siang dan malam). Efek piezoelektrik terbalik dapat digunakan untuk pembangkitan sinyal emisi akustik. Karena elemen konversi piezoelektrik memiliki dua sifat penting yaitu menghasilkan sendiri dan dapat dibalik, ditambah ukurannya yang kecil, ringan, struktur sederhana, pengoperasian yang andal, frekuensi alami yang tinggi, sensitivitas tinggi, dan rasio signal-to-noise yang tinggi, penerapan sensor piezoelektrik mengalami perkembangan pesat. Berbagai generator tegangan seperti catu daya piezoelektrik, kompor gas, dan perangkat penyalaan otomatis untuk mesin mobil dikembangkan menggunakan efek piezoelektrik positif dalam teknologi pengujian, elemen konversi piezoelektrik adalah elemen penginderaan gaya yang khas, yang dapat mengukur perubahan akhir. Besaran fisis yang membentuk suatu gaya, seperti tekanan, percepatan, guncangan mekanis, dan getaran, oleh karena itu penerapan sensor piezoelektrik dapat dilihat di berbagai bidang seperti akustik, mekanika, kedokteran, dan ruang angkasa. Yang lebih penting lagi, berdasarkan hasil biopiezoelektrik diketahui bahwa makhluk hidup mempunyai sifat piezoelektrik, dan berbagai organ indera manusia sebenarnya merupakan sensor biopiezoelektrik. Jika fraktur diobati berdasarkan efek piezoelektrik positif, penyembuhan dapat dipercepat; efek piezoelektrik terbalik dapat digunakan untuk memberi daya pada tulang guna memperbaiki tulang yang cacat dan fungsi lainnya. Kerugian utama dari elemen konversi piezoelektrik adalah tidak memiliki keluaran statis, yang memerlukan impedansi keluaran listrik tinggi, dan memerlukan kabel kapasitansi rendah dan kebisingan rendah. Suhu pengoperasian banyak bahan piezoelektrik hanya sekitar 250 °C.