Ricerca sulla sensibilità dei componenti dei trasduttori ceramici piezoelettrici

A causa dell'effetto piezoelettrico, la ceramica piezoelettrica può convertire direttamente la non elettricità in elettricità e la sua costante piezoelettrica può essere notevolmente migliorata regolando la composizione della composizione  o modificando la combinazione di fogli piezoelettrici, migliorando così efficacemente la sua sensibilità. Pertanto, le ceramiche pi ezoelettriche dei trasduttori come elementi sensibili stanno ricevendo sempre più attenzione. Vengono brevemente introdotti il ​​principio di base e la composizione del sensore piezoelettrico. I fattori che influenzano la sensibilità del sensore piezoelettrico sono discussi in dettaglio da statico e dinamico. Su questa base si ottiene un metodo efficace per migliorare la sensibilità.

Il sensore è un dispositivo con funzione di rilevamento ampiamente utilizzato nei settori dell'industria, dell'agricoltura, della difesa nazionale e della medicina. Si chiama 'Electric Five', che rileva varie quantità non elettriche simulando le funzioni dei tratti del viso umano . Il trasduttore piezoelettrico a disco rotondo con effetto piezoelettrico è uno dei materiali PZT per la realizzazione di sensori. I sensori piezoelettrici con cui abbiamo familiarità includono accelerometri piezoelettrici, giroscopi piezoelettrici, manometri piezoelettrici e galvanometri. Con il progresso della tecnologia sono nati molti nuovi sensori e anche le prestazioni dei sensori esistenti sono state migliorate. La sensibilità è un indicatore importante del sensore. I seguenti fattori discutono i fattori che influenzano la sensibilità del sensore  sia dagli aspetti statici che dinamici.

di base  Principi e  composizione dei  sono dispositivi che utilizzano gli effetti piezoelettrici dei fogli ceramici piezoelettrici per convertire lo stress (o la deformazione) in tensione (o carica) e quindi  piezoelettrici sensori ceramici  samplificarli e trasmetterli attraverso un amplificatore. I fogli di ceramica piezoelettrica sono i componenti chiave. Dal punto di vista della conversione del segnale, i fogli ceramici piezoelettrici equivalgono a un generatore di carica.

Il sensore piezoelettrico è composto da un sistema meccanico che trasmette la forza esterna al foglio di ceramica piezoelettrico, un foglio di ceramica piezoelettrico e un circuito di misurazione che trasferisce la carica elettrica al contatore. Il sistema meccanico è una porzione di staffa per il montaggio e il fissaggio del foglio di ceramica piezoelettrico. Il sistema è in diretto contatto con il mondo esterno e, quando sottoposto ad una forza esterna, la staffa e la lastra di ceramica piezoelettrica si deformano insieme. Il foglio ceramico piezoelettrico genera una carica in uscita per deformazione. La linea di misura amplifica la carica e la trasforma in un'uscita di tensione.

2 Fattori che influenzano la sensibilità del sensore piezoelettrico

La sensibilità di a Il trasduttore dei dischi piezoelettrici  è il rapporto tra un piccolo incremento dell'uscita e un piccolo incremento dell'ingresso corrispondente. Maggiore è il rapporto, maggiore è la sensibilità. La sensibilità del sensore piezoelettrico è correlata alla sensibilità delle tre parti che lo compongono. Poiché le tre parti sono collegate in serie, la sensibilità del sensore piezoelettrico viene moltiplicata per la sensibilità delle tre parti. La seguente analisi viene eseguita rispettivamente da statica e dinamica. 

2.1 Analisi statica
L'analisi statica si riferisce all'analisi della relazione tra l'ingresso e l'uscita del sensore in condizioni di stato stazionario. La variabile di output è solo una funzione della variabile di input, ovvero y=f(x), e la sua sensibilità è dy.

(1) Poiché esiste una relazione lineare semplice tra S e F, Q e S e U e Q in condizioni statiche, può essere modificata in U0=CijdijA, dove Cij è il coefficiente di cedevolezza elastica equivalente del sistema meccanico; Dij è la costante piezoelettrica equivalente della ceramica piezoelettrica; A è il fattore di amplificazione della linea di misura; il pedice ij rappresenta rispettivamente la direzione della forza e la direzione della deformazione. Per aumentare la sensibilità del sensore piezoelettrico è efficace aumentare il valore di uno o più fattori. Tra questi, il potenziale per aumentare il valore della costante piezoelettrica del foglio ceramico piezoelettrico è maggiore, e la costante piezoelettrica può essere aumentata regolando la formulazione della ceramica piezoelettrica, e la piezoelettricità può essere migliorata dalla combinazione in serie parallela dei fogli ceramici piezoelettrici. Le costanti, come la connessione parallela di lastre di ceramica piezoelettriche, raddoppiano la sensibilità alla carica. Inoltre, la corretta selezione delle condizioni elettriche del foglio ceramico piezoelettrico può anche aumentare il valore della costante piezoelettrica, ad esempio la ceramica piezoelettrica nello stato di cortocircuito limite elettrico è maggiore della costante piezoelettrica equivalente dello stato aperto. Per la ceramica piezoelettrica, la modalità di vibrazione è diversa, anche la costante piezoelettrica è diversa e la costante piezoelettrica tangenziale (d15) è maggiore della costante piezoelettrica dello spessore (d33) e della costante piezoelettrica radiale (d31). I dati della costante piezoelettrica della ceramica piezoelettrica PZT4. La sensibilità del sensore elettrico è correlata alla sensibilità dei tre componenti che lo compongono. Poiché i tre componenti sono collegati in serie, la sensibilità del sensore piezoelettrico viene moltiplicata per la sensibilità dei tre componenti. La seguente analisi viene eseguita rispettivamente da statica e dinamica.

2.1 Analisi statica
L'analisi statica si riferisce all'analisi della relazione tra l'ingresso e l'uscita del sensore in condizioni di stato stazionario. La variabile di output è solo una funzione della variabile di input, ovvero y=f(x), e la sua sensibilità è dy. La sensibilità del sensore è tale poiché esiste una semplice relazione lineare tra S e F, Q e S e U e Q in condizioni statiche e l'equazione (1) può essere modificata in U0=CijdijA(2) dove Cij è la meccanica Il coefficiente di elasticità equivalente del sistema; dij è la costante piezoelettrica equivalente di Trasduttore ceramico a dischi peizoelettrici

; A è il fattore di amplificazione della linea di misura; il pedice ij rappresenta rispettivamente la direzione della forza e la direzione della deformazione. Per aumentare la sensibilità del sensore piezoelettrico è efficace aumentare il valore di uno o più fattori. Tra questi, il potenziale per aumentare il valore della costante piezoelettrica del foglio ceramico piezoelettrico è maggiore, e la costante piezoelettrica può essere aumentata regolando la formulazione della ceramica piezoelettrica, e la piezoelettricità può essere migliorata mediante la combinazione in serie-parallelo dei fogli ceramici piezoelettrici. Le costanti, come la connessione parallela di lastre di ceramica piezoelettriche, raddoppiano la sensibilità alla carica. Inoltre, la corretta selezione delle condizioni elettriche del foglio ceramico piezoelettrico può anche aumentare il valore della costante piezoelettrica, ad esempio la ceramica piezoelettrica nello stato di cortocircuito limite elettrico è maggiore della costante piezoelettrica equivalente dello stato aperto. Per la ceramica piezoelettrica, la modalità di vibrazione è diversa, anche la costante piezoelettrica è diversa e la costante piezoelettrica tangenziale (d15) è maggiore della costante piezoelettrica dello spessore (d33) e della costante piezoelettrica radiale (d31). Mostra il segnale continuo dei dati costanti piezoelettrici della ceramica piezoelettrica PZT-4, che può anche essere un segnale a impulsi o un ingresso periodico. A questo punto, le caratteristiche di uscita del sensore non sono più allo stato stazionario, ma si verifica una caratteristica di transizione transitoria, ovvero la relazione tra l'uscita e l'ingresso sarà una funzione del tempo. Le caratteristiche dinamiche del sensore vengono solitamente analizzate utilizzando le caratteristiche di ampiezza-frequenza. Innanzitutto vengono discusse le caratteristiche di ampiezza-frequenza del sistema meccanico del sensore piezoelettrico. Il sistema meccanico è generalmente classificato in un sistema del secondo ordine ad un solo grado di libertà. La relazione ampiezza-frequenza viene calcolata come X0=sqrt(K/m) come frequenza naturale del sistema. Dove K è il coefficiente di rigidezza del sistema, m è la massa del sistema; N è il coefficiente di smorzamento relativo. Dall'equazione si può sapere che per un certo valore di N, X/X0 è nell'intervallo [0, 2/(1+4N2, ûH(jX)û è una costante e la dimensione è uguale a 1/X20, che è il limite superiore della frequenza massima del sistema. È 2X0/(1+4N2). Per quanto riguarda l'analisi dinamica dei fogli di ceramica piezoelettrica, per comodità di discussione, si può approssimare che il suo le caratteristiche di ampiezza-frequenza sono costanti su un intervallo di frequenza abbastanza ampio e deff è equivalente nella costante piezoelettrica. Infine, vengono discusse le caratteristiche di ampiezza-frequenza della linea di misurazione. Prendendo come esempio l'amplificatore di carica, Ri è la resistenza di ingresso della linea di misurazione; A è il fattore di amplificazione dell'amplificatore, Rf e Cf sono rispettivamente la resistenza di feedback e la capacità di feedback calcolando la seguente relazione ampiezza-frequenza, ovvero Xm1/RfCf. In sintesi, quando la frequenza di variazione della forza esterna rientra nell'intervallo . La caratteristica ampiezza-frequenza del sensore piezoelettrico è piatta.

La sensibilità del sensore ceramico piezoelettrico è nota dalla discussione precedente. In condizioni dinamiche, quando la frequenza della forza esterna rientra nell'intervallo, la sensibilità del sensore ceramico piezoelettrico è espressa come dinamica e il foglio ceramico piezoelettrico viene migliorato abbassando la frequenza naturale del sistema meccanico. La costante piezoelettrica e il metodo di riduzione della capacità di retroazione della linea di misurazione possono migliorare la sensibilità del sensore piezoelettrico.

UN. Secondo l'analisi statica, per migliorare la sensibilità del sensore piezoelettrico, è possibile migliorare la sensibilità di ciascun componente, ovvero migliorare il coefficiente di conformità elastica del sistema meccanico, la costante piezoelettrica equivalente del pezzo di ceramica piezoelettrica e il fattore di amplificazione della linea di misurazione. Tra questi, il potenziale per aumentare la costante piezoelettrica del foglio ceramico piezoelettrico è il maggiore.
B. Secondo l'analisi dinamica, la sensibilità del sensore piezoelettrico dovrebbe essere considerata in combinazione con la frequenza di variazione della forza esterna. Nell'intervallo piatto delle caratteristiche di ampiezza-frequenza, la sensibilità del sensore piezoelettrico può essere migliorata aumentando la massa del sistema meccanico, aumentando la costante piezoelettrica del foglio ceramico piezoelettrico e riducendo il coefficiente di rigidità del sistema meccanico e la capacità di feedback della linea di misurazione.
C. In combinazione con l'analisi statica e l'analisi dinamica, è noto che l'aumento della costante piezoelettrica del foglio ceramico piezoelettrico può migliorare efficacemente la sensibilità del sensore piezoelettrico ed è anche uno dei metodi più pratici. Questo perché è più facile aumentare la costante piezoelettrica del foglio ceramico piezoelettrico regolando la composizione chimica della ceramica piezoelettrica. Inoltre, il foglio ceramico piezoelettrico può aumentare la costante piezoelettrica effettiva del foglio ceramico piezoelettrico selezionando una modalità di vibrazione adatta e una combinazione serie-parallela.