圧電セラミックトランスデューサ部品の感度に関する研究

圧電セラミックスは、圧電効果により非電気を直接電気に変換することができ、組成の調整 や圧電セラミックシートの組み合わせを変えることで圧電定数を大幅に向上させることができ、効果的に感度を向上させることができます。そのため、感応素子としてのトランスデューサパイ圧電セラミックスがますます注目されています。圧電センサーの基本原理と構成を簡単に紹介します。圧電センサーの感度に影響を与える要因を静的および動的から詳しく説明します。これに基づいて、感度を向上させる効果的な方法が得られる。

センサーは、産業、農業、国防、医療の分野で広く使用されている検出機能を備えたデバイスです。これは「エレクトリック ファイブ」と呼ばれるもので、人間の顔の機能をシミュレートすることでさまざまな非電気量を検出します。圧電効果を備えた圧電円形ディスクトランスデューサーは、センサーを作成するための PZT 材料の 1 つです。よく知られている圧電センサーには、圧電加速度計、圧電ジャイロ、圧電圧力計、検流計などがあります。テクノロジーの進歩に伴い、多くの新しいセンサーが誕生し、既存のセンサーの性能も向上しています。感度はセンサーの重要な指標です。以下の要因ではからセンサーの感度に影響を与える要因について説明します。 、静的側面と動的側面の両方

基本 原理と 構成は、圧電セラミックシートの圧電効果を利用して応力（またはひずみ）の 圧電セラミック をセンサ s電圧（または電荷）に変換し、アンプで増幅して出力するデバイスです。圧電セラミックシートが主要部品です。信号変換という観点から見ると、圧電セラミックスシートは電荷発生器に相当します。

ピエゾセラミックセンサは、圧電セラミックシートに外力を伝達する機械系、圧電セラミックシート、電荷をメータに転送する測定回路から構成されています。メカ系は、圧電セラミックシートを取り付けて固定するためのブラケット部分である。システムは外界と直接接触しており、外力が加わるとブラケットと圧電セラミックシートが一緒に変形します。圧電セラミックシートは変形することで電荷出力を発生します。測定ラインは電荷を増幅し、電圧出力に変換します。

2 圧電センサーの感度に影響を与える要因

の感度 圧電ディスクトランスデューサは 、対応する入力の小さな増分に対する出力の小さな増分の比です。比率が大きいほど感度が高くなります。圧電センサーの感度は、それを構成する 3 つの部品の感度に関係します。 3 つの部分は直列に接続されているため、圧電センサーの感度は 3 つの部分の感度で倍増されます。次の分析は、それぞれ静的および動的から実行されます。 

2.1 静的解析
静的解析とは、定常状態条件下でのセンサーの入力と出力の関係の解析を指します。出力変数は入力変数の関数、つまり y=f(x) のみであり、その感度は dy です。

(1) 静的条件下では S と F、Q と S、および U と Q の間に単純な線形関係があるため、U0=CijdijA に変更できます。ここで、Cij は機械システムの等価弾性コンプライアンス係数です。 Dij は圧電セラミックの等価圧電定数です。 A は測定ラインの増幅率です。添字 ij はそれぞれ力の方向と変形の方向を表します。圧電センサーの感度を上げるには、1 つ以上の係数の値を大きくすることが効果的です。中でも圧電セラミックスシートの圧電定数を高める可能性が最も大きく、圧電セラミックスの配合を調整することで圧電定数を高めることができ、圧電セラミックスシートを直並列に組み合わせることで圧電特性を向上させることができる。圧電セラミックシートの並列接続などの定数により、電荷感度が 2 倍になります。さらに、圧電セラミックシートの電気的条件を適切に選択することによっても圧電定数の値を高めることができ、例えば、電気的境界短絡状態の圧電セラミックが開放状態の等価圧電定数よりも大きくなる。圧電セラミックスの場合、振動モードが異なり、圧電定数も異なり、接線方向の圧電定数（d15）は、厚み方向の圧電定数（d33）および径方向の圧電定数（d31）よりも大きくなります。 PZT4圧電セラミックスの圧電定数データです。電気センサーの感度は、それを構成する 3 つのコンポーネントの感度に関連しています。 3 つのコンポーネントは直列に接続されているため、圧電センサーの感度は 3 つのコンポーネントの感度で倍増されます。次の分析は、それぞれ静的および動的から実行されます。

2.1 静的解析
静的解析とは、定常状態条件下でのセンサーの入力と出力の関係の解析を指します。出力変数は入力変数の関数、つまり y=f(x) のみであり、その感度は dy です。センサーの感度は、静的条件下では S と F、Q と S、および U と Q の間に単純な線形関係があるため、式 (1) は U0=CijdijA(2) に変更できます。ここで、Cij はシステムの等価弾性コンプライアンス係数です。 dij は等価圧電定数です。 圧電ディスクセラミックトランスデューサ

; A は測定ラインの増幅率です。添字 ij はそれぞれ力の方向と変形の方向を表します。圧電センサーの感度を上げるには、1 つ以上の係数の値を大きくすることが効果的です。中でも圧電セラミックスシートの圧電定数を高める可能性が最も大きく、圧電セラミックスの配合を調整することで圧電定数を高めることができ、圧電セラミックスシートを直並列に組み合わせることで圧電特性を向上させることができる。圧電セラミックシートの並列接続などの定数により、電荷感度が 2 倍になります。さらに、圧電セラミックシートの電気的条件を適切に選択することによっても圧電定数の値を高めることができ、例えば、電気的境界短絡状態の圧電セラミックが開放状態の等価圧電定数よりも大きくなる。圧電セラミックスの場合、振動モードが異なり、圧電定数も異なり、接線方向の圧電定数（d15）は、厚み方向の圧電定数（d33）および径方向の圧電定数（d31）よりも大きくなります。 PZT-4 圧電セラミックスの圧電定数データの連続信号を示します。パルス信号または周期的な入力も可能です。この時点で、センサーの出力特性は定常状態ではなくなり、過渡遷移特性が発生します。つまり、出力と入力の関係は時間の関数になります。センサーの動特性は通常、振幅周波数特性を使用して解析されます。まず、圧電センサーの機械系の振幅周波数特性について説明します。機械系は一般に１自由度２次系に分類される。振幅と周波数の関係は、システムの固有振動数として X0=sqrt(K/m) として計算されます。ここで、K はシステムの剛性係数、m はシステムの質量です。 N は相対減衰係数です。式から、特定の N 値に対して、X/X0 は区間 [0, 2/(1+4N2, ûH(jX)û は定数であり、そのサイズはシステムの最大周波数の上限である 1/X20 に等しい。2X0/(1+4N2) であることがわかります。圧電セラミック シートの動的解析に関しては、議論の便宜上、次のように近似できます。振幅周波数特性はかなり広い周波数範囲にわたって一定であり、測定線路の振幅周波数特性を例として説明します。Ri は測定線路の増幅率、Rf と Cf はそれぞれ、倍率が十分に大きい場合の振幅周波数特性です。つまり、外力の変動周波数が の範囲にある場合、測定線の振幅周波数特性は平坦になります。Xm1/RfCf となります。圧電センサの振幅周波数特性は平坦になります。

圧電セラミック センサーの感度は上記の説明からわかります。動的条件下では、外力の周波数が範囲内にある場合、圧電セラミックセンサーの感度は動的に表現され、機械システムの固有振動数を下げることによって圧電セラミックシートが向上します。圧電定数と測定ラインのフィードバック静電容量を減らす方法により、圧電センサーの感度を向上させることができます。

ａ．静的解析によれば、圧電センサの感度を向上させるには、機械系の弾性コンプライアンス係数、圧電セラミックスの等価圧電定数、測定線の増幅率などの各構成要素の感度を向上させることができる。中でも、圧電セラミックスシートの圧電定数を高める可能性が最も大きい。
b.動的解析によれば、圧電センサーの感度は外力の変化の周波数と組み合わせて考慮する必要があります。振幅周波数特性が平坦な領域では、機械系の質量を大きくし、圧電セラミックシートの圧電定数を大きくし、機械系の剛性係数や測定線の帰還容量を小さくすることで、圧電センサの感度を向上させることができます。
c.静的解析と動的解析を組み合わせると、圧電セラミックシートの圧電定数を増加させると圧電センサーの感度を効果的に向上できることが知られており、これも最も実用的な方法の1つです。圧電磁器の化学組成を調整することにより、圧電セラミックスシートの圧電定数を高くすることが容易になるからである。また、圧電セラミックスシートは、適切な振動モードと直並列の組み合わせを選択することにより、圧電セラミックスシートの実効圧電定数を高めることができる。