Effetto piezoelettrico e sensore acustico piezoelettrico

I segnali di emissione acustica che si propagano nei mezzi solidi contengono informazioni caratteristiche delle sorgenti di emissione acustica. Per utilizzare queste informazioni per riflettere le caratteristiche del materiale o lo sviluppo di difetti, è necessario ricevere tali segnali di emissione acustica su superfici solide. I segnali di emissione acustica sono segnali transitori ad onda casuale con uno spostamento verticale minimo di circa 10-7,10-14 metri. La frequenza è distribuita nell'intervallo di frequenze dagli infrasuoni agli ultrasuoni (da diversi hertz a decine di megahertz). Ciò richiede che gli strumenti di rilevamento delle emissioni acustiche abbiano un'elevata velocità di risposta, un'elevata sensibilità, un elevato guadagno, un'ampia gamma dinamica, una forte capacità di recupero del blocco e un rilevamento della frequenza di il cristallo piezoelettrico del disco ceramico . È possibile selezionare Nell'effettivo processo di rilevamento delle emissioni acustiche, i segnali rilevati sono spesso segnali complessi che hanno subito molteplici riflessioni e trasformazioni della forma d'onda. I segnali di emissione acustica vengono ricevuti dai sensori e convertiti in segnali elettrici. I sensori forniscono una curva di sensibilità alla frequenza secondo uno specifico metodo di calibrazione. In base a ciò è possibile selezionare diversi tipi di sensori con frequenze e sensibilità diverse a seconda dello scopo e dell'ambiente di rilevamento.

Il sensore a ultrasuoni è realizzato in base al principio che le caratteristiche fisiche di alcune sostanze (come semiconduttori, piezoceramiche, cristalli piezoelettrici, corpi ferromagnetici e superconduttori) cambiano con l'esterno da misurare. Utilizza molti effetti (compresi effetti fisici, effetti chimici ed effetti biologici) e fenomeni fisici, come l'uso della resistenza piezoelettrica, sensibilità all'umidità, sensibilità al calore, sensibilità alla luce, sensibilità magnetica e sensibilità ai gas dei materiali. Lo spostamento, il campo magnetico, il gas vengono misurati e convertiti in elettricità. La scoperta e l'utilizzo di nuovi principi, nuovi effetti e lo sviluppo e l'applicazione di nuovi materiali fisici hanno portato allo sviluppo di sensori fisici. È quindi necessario comprendere i vari effetti su cui si basano i sensori, comprenderli, svilupparli e applicarli. Nel processo di rilevamento delle emissioni acustiche viene solitamente utilizzato l'effetto piezoelettrico.

L'effetto piezoelettrico è reversibile, che è un termine generale per gli effetti piezoelettrici positivi e negativi. È consuetudine chiamare l'effetto piezoelettrico positivo un effetto piezoelettrico.

Quando alcuni materiali dielettrici di La ceramica piezoelettrica del materiale PZT viene deformata dalla forza esterna in una determinata direzione, su determinate superfici del materiale dielettrico vengono generate cariche positive e negative di segni diversi. Dopo che la forza esterna viene rimossa, ritornano ad uno stato privo di carica. Questo fenomeno è chiamato effetto piezoelettrico positivo. La carica generata da una forza dielettrica è proporzionale all'entità della forza esterna. Il coefficiente di proporzionalità è una costante piezoelettrica, correlata alla direzione della deformazione meccanica. È costante per una certa direzione di un certo materiale. La polarità della carica generata da una forza dielettrica dipende dalla forma di deformazione (compressione o allungamento). I materiali con effetti piezoelettrici significativi sono chiamati materiali piezoelettrici. Comunemente utilizzati sono cristalli singoli come cristalli di quarzo, niobato di litio LiNbO3, gallato di litio LiGaO3, germanato di bismuto Bi12GeO20 e policristalli come titanato di bario dopo il trattamento di polarizzazione. Ceramica piezoelettrica elettrica, ceramica piezoelettrica serie piombo zirconato titanato PZT. I nuovi materiali piezoelettrici includono pellicole piezoelettriche polimeriche (come il fluoruro di polivinilidene PVDF) e semiconduttori piezoelettrici (come ZnO, CdS). L'effetto piezoelettrico dei materiali monocristallini è dovuto alla deformazione della struttura meridiana interna di questi singoli cristalli quando sottoposti a stress esterno, che causa la distruzione dello stato macroscopicamente neutro originale e la conseguente polarizzazione. Le ceramiche piezoelettriche e le pellicole piezoelettriche polimeriche dopo la polarizzazione (un forte campo elettrico viene applicato ad una certa temperatura) sono il risultato della polarizzazione dei domini elettrici e delle coppie di elettrodi.

I sensori piezoelettrici sono realizzati utilizzando l'effetto piezoelettrico positivo che converte l'energia non elettrica come pressione, vibrazione, accelerazione, ecc. L'energia elettrica viene utilizzata per misurazioni precise.

Quando un campo elettrico viene applicato nella direzione della polarizzazione del dielettrico Componenti dell'anello piezoceramico Pzt8 , alcuni dielettrici produrranno deformazione meccanica o stress meccanico in una determinata direzione. Quando viene rimosso il campo elettrico esterno, anche la deformazione o lo stress scompaiono. Questo fenomeno fisico è chiamato effetto piezoelettrico inverso. Utilizzando l'effetto piezoelettrico inverso è possibile realizzare generatori di ultrasuoni, altoparlanti piezoelettrici, oscillatori piezoelettrici con una frequenza altamente stabile (come orologi al quarzo e orologi con errore diurno e notturno). L'effetto piezoelettrico inverso può essere utilizzato per la generazione di segnali di emissione acustica. Poiché gli elementi di conversione piezoelettrici hanno due importanti proprietà di autogenerazione e reversibilità, oltre alle dimensioni ridotte, alla leggerezza, alla struttura semplice, al funzionamento affidabile, all'elevata frequenza naturale, all'elevata sensibilità e all'elevato rapporto segnale-rumore, l'applicazione dei sensori piezoelettrici ottiene un rapido sviluppo. Una varietà di generatori di tensione come alimentatori piezoelettrici, stufe a gas e dispositivi di autoaccensione per motori di automobili sviluppati utilizzando l'effetto piezoelettrico positivo nella tecnologia di test, l'elemento di conversione piezoelettrico è un tipico elemento di rilevamento della forza, che può misurare il cambiamento finale. Quelle quantità fisiche che formano una forza, come pressione, accelerazione, shock meccanico e vibrazione, pertanto, l'applicazione dei sensori piezoelettrici può essere vista in una vasta gamma di campi come l'acustica, la meccanica, la medicina e l'aerospaziale. Ciò che è più significativo è che, secondo i risultati della biopiezoelettricità, si riconosce che gli esseri viventi hanno piezoelettricità e che vari organi di senso umani sono in realtà sensori biopiezoelettrici. Se la frattura viene trattata secondo l'effetto piezoelettrico positivo, la guarigione può essere accelerata; l'effetto piezoelettrico inverso può essere utilizzato per alimentare le ossa per correggere ossa deformate e altre funzioni. Lo svantaggio principale degli elementi di conversione piezoelettrici è che non hanno un'uscita statica, che richiede un'elevata impedenza di uscita elettrica e richiedono cavi a bassa capacità e a basso rumore. La temperatura operativa di molti materiali piezoelettrici è solo di circa 250°C.