Penelitian Sensitivitas Komponen Transduser Keramik Piezoelektrik

Karena efek piezoelektrik, keramik piezoelektrik dapat secara langsung mengubah non-listrik menjadi listrik, dan konstanta piezoelektriknya dapat ditingkatkan secara signifikan dengan menyesuaikan komposisi komposisi  atau mengubah kombinasi lembaran piezokeramik, sehingga secara efektif meningkatkan sensitivitasnya. Oleh karena itu, keramik transduser pi ezoelektrik sebagai elemen sensitif semakin mendapat perhatian. Prinsip dasar dan komposisi sensor piezoelektrik diperkenalkan secara singkat. Faktor-faktor yang mempengaruhi sensitivitas sensor piezoelektrik dibahas secara rinci dari statis dan dinamis. Atas dasar ini, diperoleh metode yang efektif untuk meningkatkan sensitivitas.

Sensor merupakan perangkat dengan fungsi deteksi yang banyak digunakan di bidang industri, pertanian, pertahanan negara, dan kedokteran. Ini disebut 'Electric Five', yang mendeteksi berbagai besaran non-listrik dengan mensimulasikan fungsi fitur wajah manusia . Transduser cakram bulat piezo dengan efek piezoelektrik merupakan salah satu bahan PZT untuk pembuatan sensor. Sensor piezoelektrik yang familiar antara lain akselerometer piezoelektrik, gyro piezoelektrik, pengukur tekanan piezoelektrik, dan galvanometer. Dengan kemajuan teknologi, banyak sensor baru yang lahir, dan kinerja sensor yang ada juga meningkat. Sensitivitas merupakan indikator penting dari sensor. Faktor-faktor berikut membahas faktor-faktor yang mempengaruhi sensitivitas sensor  baik dari aspek statis maupun dinamis.

dasar  Prinsip dan  komposisi sensor  piezoelektrik adalah perangkat yang menggunakan efek piezoelektrik dari lembaran keramik )  keramik piezoelektrik untuk mengubah tegangan (atau regangan  smenjadi tegangan (atau muatan) dan kemudian memperkuat dan mengeluarkannya melalui amplifier. Lembaran keramik piezoelektrik adalah komponen utamanya. Dari perspektif konversi sinyal, lembaran keramik piezoelektrik setara dengan generator muatan. Sensor

piezo oceramic terdiri dari sistem mekanis yang mentransmisikan gaya eksternal ke lembaran keramik piezoelektrik, lembaran keramik piezo elektrik, dan rangkaian pengukuran yang mentransfer muatan listrik ke meteran. Sistem mekanis merupakan bagian braket untuk memasang dan memasang lembaran keramik piezoelektrik. Sistem ini bersentuhan langsung dengan dunia luar, dan ketika terkena gaya eksternal, braket dan lembaran keramik piezoelektrik mengalami deformasi bersama. Lembaran keramik piezoelektrik menghasilkan keluaran muatan melalui deformasi. Garis pengukuran memperkuat muatan dan mengubahnya menjadi keluaran tegangan.

2 Faktor-faktor yang mempengaruhi sensitivitas sensor piezoelektrik

Sensitivitas a transduser cakram piezoelektrik  adalah rasio kenaikan kecil keluaran dengan kenaikan kecil masukan yang sesuai. Semakin besar rasionya, semakin tinggi sensitivitasnya. Sensitivitas sensor piezoelektrik berkaitan dengan sensitivitas ketiga bagian pembuatnya. Karena ketiga bagian tersebut dihubungkan secara seri, sensitivitas sensor piezoelektrik dikalikan dengan sensitivitas ketiga bagian tersebut. Analisis berikut dilakukan masing-masing dari statis dan dinamis. 

2.1 Analisis statis
Analisis statis mengacu pada analisis hubungan antara masukan dan keluaran sensor dalam kondisi tunak. Variabel keluaran hanya merupakan fungsi dari variabel masukan yaitu y=f(x), dan sensitivitasnya adalah dy.

(1) Karena terdapat hubungan linier sederhana antara S dan F, Q dan S, serta U dan Q dalam kondisi statis, maka dapat diubah menjadi U0=CijdijA, dengan Cij adalah koefisien kepatuhan elastis ekuivalen sistem mekanis; Dij adalah konstanta piezoelektrik ekuivalen dari keramik piezoelektrik; A adalah faktor penguatan garis ukur; subskrip ij masing-masing mewakili arah gaya dan arah deformasi. Untuk meningkatkan sensitivitas sensor piezoelektrik, efektif untuk meningkatkan nilai satu atau lebih faktor. Diantaranya, potensi peningkatan nilai konstanta piezoelektrik lembaran keramik piezoelektrik paling besar, dan konstanta piezoelektrik dapat ditingkatkan dengan menyesuaikan formulasi keramik piezoelektrik, dan piezoelektrik dapat ditingkatkan dengan kombinasi seri paralel lembaran keramik piezoelektrik. Konstanta, seperti sambungan paralel lembaran keramik piezoelektrik, menggandakan sensitivitas muatan. Selain itu, pemilihan kondisi kelistrikan lembaran keramik piezoelektrik yang tepat juga dapat meningkatkan nilai konstanta piezoelektrik, misalnya keramik piezoelektrik dalam keadaan hubung singkat batas listrik lebih besar dari konstanta piezoelektrik ekivalen keadaan terbuka. Untuk keramik piezoelektrik mode getarnya berbeda, konstanta piezoelektriknya juga berbeda, dan konstanta piezoelektrik tangensial (d15) lebih besar dari konstanta piezoelektrik ketebalan (d33) dan konstanta piezoelektrik radial (d31). Data konstanta piezoelektrik keramik piezoelektrik PZT4. Sensitivitas sensor listrik berkaitan dengan sensitivitas ketiga komponen pembentuknya. Karena ketiga komponen tersebut dihubungkan secara seri, maka sensitivitas sensor piezoelektrik dikalikan dengan sensitivitas ketiga komponen tersebut. Analisis berikut dilakukan masing-masing dari statis dan dinamis.

2.1 Analisis statis
Analisis statis mengacu pada analisis hubungan antara masukan dan keluaran sensor dalam kondisi tunak. Variabel keluaran hanya merupakan fungsi dari variabel masukan yaitu y=f(x), dan sensitivitasnya adalah dy. Sensitivitas sensor ini karena terdapat hubungan linier sederhana antara S dan F, Q dan S, serta U dan Q dalam kondisi statis, dan persamaan (1) dapat diubah menjadi U0=CijdijA(2) dimana Cij adalah mekanika Koefisien kepatuhan elastis ekuivalen sistem; dij adalah konstanta piezoelektrik ekuivalen dari transduser keramik cakram peizoelektrik

; A adalah faktor penguatan garis ukur; subskrip ij masing-masing mewakili arah gaya dan arah deformasi. Untuk meningkatkan sensitivitas sensor piezoelektrik, efektif untuk meningkatkan nilai satu atau lebih faktor. Diantaranya, potensi peningkatan nilai konstanta piezoelektrik lembaran keramik piezoelektrik paling besar, dan konstanta piezoelektrik dapat ditingkatkan dengan menyesuaikan formulasi keramik piezoelektrik, dan piezoelektrik dapat ditingkatkan dengan kombinasi seri-paralel lembaran keramik piezoelektrik. Konstanta, seperti sambungan paralel lembaran keramik piezoelektrik, menggandakan sensitivitas muatan. Selain itu, pemilihan kondisi kelistrikan lembaran keramik piezoelektrik yang tepat juga dapat meningkatkan nilai konstanta piezoelektrik, misalnya keramik piezoelektrik dalam keadaan hubung singkat batas listrik lebih besar dari konstanta piezoelektrik ekivalen keadaan terbuka. Untuk keramik piezoelektrik mode getarnya berbeda, konstanta piezoelektriknya juga berbeda, dan konstanta piezoelektrik tangensial (d15) lebih besar dari konstanta piezoelektrik ketebalan (d33) dan konstanta piezoelektrik radial (d31). Ini menunjukkan sinyal kontinu data konstan piezoelektrik dari keramik piezoelektrik PZT-4, yang juga dapat berupa sinyal pulsa, atau masukan periodik. Pada titik ini karakteristik keluaran sensor tidak lagi dalam keadaan tunak, melainkan terjadi karakteristik transisi transien, yaitu hubungan antara keluaran dan masukan akan menjadi fungsi waktu. Karakteristik dinamis sensor biasanya dianalisis menggunakan karakteristik frekuensi amplitudo. Pertama, karakteristik frekuensi amplitudo dari sistem mekanis sensor piezoelektrik dibahas. Sistem mekanis umumnya diklasifikasikan ke dalam sistem tingkat kebebasan tunggal tingkat kedua. Hubungan amplitudo-frekuensi dihitung sebagai X0=sqrt(K/m) sebagai frekuensi natural sistem. Dimana K adalah koefisien kekakuan sistem, m adalah massa sistem; N adalah koefisien redaman relatif. Dari persamaan tersebut dapat diketahui bahwa untuk nilai N tertentu, X/X0 berada pada interval [0, 2/(1+4N2, ûH(jX)û adalah suatu konstanta, dan besarnya sama dengan 1/X20 yang merupakan batas atas frekuensi maksimum sistem yaitu 2X0/(1+4N2). Mengenai analisis dinamik lembaran keramik piezoelektrik, untuk memudahkan pembahasan dapat diperkirakan bahwa Karakteristik frekuensi amplitudo adalah konstan pada rentang frekuensi yang cukup luas, dan deff setara dalam konstanta piezoelektrik. Terakhir, karakteristik frekuensi amplitudo dari garis pengukuran dibahas. Mengambil penguat muatan sebagai contoh, Ri adalah resistansi masukan dari garis pengukuran; A adalah faktor amplifikasi dari penguat; Rf dan Cf adalah resistansi umpan balik dan kapasitansi umpan balik, masing-masing mengikuti hubungan amplitudo-frekuensi, yaitu Xm1/RfCf. Singkatnya, ketika frekuensi variasi gaya eksternal berada dalam kisaran. Karakteristik frekuensi amplitudo sensor piezoelektrik adalah datar.

Sensitivitas sensor keramik piezoelektrik diketahui dari pembahasan di atas. Dalam kondisi dinamis, ketika frekuensi gaya eksternal berada dalam kisaran tersebut, sensitivitas sensor keramik piezoelektrik dinyatakan sebagai dinamis, dan lembaran keramik piezoelektrik ditingkatkan dengan menurunkan frekuensi alami sistem mekanis. Konstanta piezoelektrik dan metode pengurangan kapasitansi umpan balik dari garis pengukuran dapat meningkatkan sensitivitas sensor piezoelektrik.

A. Berdasarkan analisis statik, untuk meningkatkan sensitivitas sensor piezoelektrik, sensitivitas masing-masing komponen dapat ditingkatkan, yaitu koefisien kepatuhan elastis sistem mekanik, konstanta piezoelektrik ekuivalen potongan keramik piezoelektrik, dan faktor amplifikasi garis ukur ditingkatkan. Diantaranya, potensi peningkatan konstanta piezoelektrik lembaran keramik piezoelektrik adalah yang paling besar.
B. Menurut analisis dinamik, sensitivitas sensor piezoelektrik harus dipertimbangkan dalam kombinasi dengan frekuensi perubahan gaya eksternal. Dalam rentang karakteristik frekuensi amplitudo yang datar, sensitivitas sensor piezoelektrik dapat ditingkatkan dengan meningkatkan massa sistem mekanis, meningkatkan konstanta piezoelektrik lembaran keramik piezoelektrik, dan mengurangi koefisien kekakuan sistem mekanis dan kapasitansi umpan balik dari garis ukur.
C. Dikombinasikan dengan analisis statis dan analisis dinamis, diketahui bahwa peningkatan konstanta piezoelektrik lembaran keramik piezoelektrik dapat secara efektif meningkatkan sensitivitas sensor piezoelektrik, dan juga merupakan salah satu metode yang paling praktis. Hal ini karena lebih mudah untuk meningkatkan konstanta piezoelektrik lembaran keramik piezoelektrik dengan mengatur komposisi kimia keramik piezoelektrik. Selain itu, lembaran keramik piezoelektrik dapat meningkatkan konstanta piezoelektrik efektif dari lembaran keramik piezoelektrik dengan memilih mode getaran yang sesuai dan kombinasi seri-paralel.