Penyelidikan tentang Kepekaan Komponen Transduser Seramik Piezoelektrik

Disebabkan oleh kesan piezoelektrik, seramik piezoelektrik boleh secara langsung menukar bukan elektrik kepada elektrik, dan pemalar piezoelektriknya boleh dipertingkatkan dengan banyak dengan melaraskan komposisi komposisi  atau menukar gabungan kepingan piezoelektrik, dengan itu meningkatkan kepekaannya dengan berkesan.Oleh itu, seramik transduser pi ezoelektrik lebih banyak perhatian. Prinsip asas dan komposisi penderia piezoelektrik diperkenalkan secara ringkas. Faktor-faktor yang mempengaruhi kepekaan sensor piezoelektrik dibincangkan secara terperinci dari statik dan dinamik. Atas dasar ini, kaedah yang berkesan untuk meningkatkan sensitiviti diperolehi.

Sensor ialah peranti dengan fungsi pengesanan yang digunakan secara meluas dalam bidang industri, pertanian, pertahanan negara dan perubatan. Ia dipanggil 'Electric Five', yang mengesan pelbagai kuantiti bukan elektrik dengan mensimulasikan fungsi ciri muka manusia . transduser cakera bulat piezo dengan kesan piezoelektrik adalah salah satu bahan PZT untuk membuat sensor. Penderia piezoelektrik yang biasa digunakan termasuk pecutan piezoelektrik, giros piezoelektrik, tolok tekanan piezoelektrik dan galvanometer. Dengan kemajuan teknologi, banyak penderia baharu telah dilahirkan, dan prestasi penderia sedia ada juga telah dipertingkatkan. Kepekaan adalah penunjuk penting sensor. Faktor berikut membincangkan faktor yang mempengaruhi kepekaan penderia dari  kedua-dua aspek statik dan dinamik.

asas  Principles dan  c omposisi bagi  iezoelektrik ialah  p ensor eramik  speranti yang menggunakan kesan piezoelektrik kepingan seramik piezoelektrik untuk menukar tegasan (atau terikan) kepada voltan (atau cas) dan kemudian menguatkan dan mengeluarkannya melalui penguat. Lembaran seramik piezoelektrik adalah komponen utama. Dari perspektif penukaran isyarat, kepingan seramik piezoelektrik adalah bersamaan dengan penjana cas. Penderia oseramik

piez terdiri daripada sistem mekanikal yang menghantar daya luaran ke kepingan seramik piezoelektrik, kepingan seramik elektrik piezo, dan litar pengukur yang memindahkan cas elektrik ke meter. Sistem mekanikal ialah bahagian pendakap untuk memasang dan menetapkan kepingan seramik piezoelektrik. Sistem ini bersentuhan langsung dengan dunia luar, dan apabila dikenakan daya luar, kurungan dan kepingan seramik piezoelektrik akan berubah bentuk bersama. Lembaran seramik piezoelektrik menjana keluaran cas melalui ubah bentuk. Garis ukuran menguatkan cas dan mengubahnya menjadi keluaran voltan.

2 Faktor mempengaruhi sensitiviti sensor piezoelektrik

Kepekaan a transduser cakera piezoelektrik  ialah nisbah kenaikan kecil output kepada kenaikan kecil input sepadan. Semakin besar nisbah, semakin tinggi sensitiviti. Kepekaan sensor piezoelektrik adalah berkaitan dengan kepekaan tiga bahagian yang membuatnya. Oleh kerana ketiga-tiga bahagian disambungkan secara bersiri, kepekaan sensor piezoelektrik didarab dengan kepekaan ketiga-tiga bahagian. Analisis berikut dilakukan masing-masing daripada statik dan dinamik. 

2.1 Analisis statik
Analisis statik merujuk kepada analisis hubungan antara input dan output sensor di bawah keadaan keadaan mantap. Pembolehubah keluaran hanyalah fungsi pembolehubah input, iaitu y=f(x), dan kepekaannya ialah dy.

(1) Memandangkan terdapat hubungan linear mudah antara S dan F, Q dan S, dan U dan Q dalam keadaan statik, ia boleh ditukar kepada U0=CijdijA, di mana Cij ialah pekali pematuhan elastik yang setara bagi sistem mekanikal; Dij ialah pemalar piezoelektrik setara bagi seramik piezoelektrik; A ialah faktor penguatan garis pengukur; subskrip ij masing-masing mewakili arah daya dan arah ubah bentuk. Untuk meningkatkan sensitiviti sensor piezoelektrik, adalah berkesan untuk meningkatkan nilai satu atau lebih faktor. Antaranya, potensi untuk meningkatkan nilai pemalar piezoelektrik lembaran seramik piezoelektrik adalah paling besar, dan pemalar piezoelektrik boleh ditingkatkan dengan melaraskan perumusan seramik piezoelektrik, dan piezoelektrik boleh diperbaiki oleh gabungan siri selari kepingan seramik piezoelektrik. Pemalar, seperti sambungan selari kepingan seramik piezoelektrik, menggandakan sensitiviti cas. Di samping itu, pemilihan keadaan elektrik lembaran seramik piezoelektrik yang betul juga boleh meningkatkan nilai pemalar piezoelektrik, seperti seramik piezoelektrik dalam keadaan litar pintas sempadan elektrik adalah lebih besar daripada pemalar piezoelektrik setara keadaan terbuka. Untuk seramik piezoelektrik, mod getaran adalah berbeza, pemalar piezoelektrik juga berbeza, dan pemalar piezoelektrik tangen (d15) lebih besar daripada pemalar piezoelektrik ketebalan (d33) dan pemalar piezoelektrik jejari (d31). Data pemalar piezoelektrik seramik piezoelektrik PZT4. Kepekaan penderia elektrik adalah berkaitan dengan sensitiviti tiga komponen yang membuatnya. Oleh kerana ketiga-tiga komponen disambungkan secara bersiri, kepekaan penderia piezoelektrik didarab dengan kepekaan ketiga-tiga komponen. Analisis berikut dilakukan masing-masing daripada statik dan dinamik.

2.1 Analisis statik
Analisis statik merujuk kepada analisis hubungan antara input dan output sensor di bawah keadaan keadaan mantap. Pembolehubah keluaran hanyalah fungsi pembolehubah input, iaitu y=f(x), dan kepekaannya ialah dy. Kepekaan penderia ialah kerana terdapat hubungan linear mudah antara S dan F, Q dan S, dan U dan Q di bawah keadaan statik, dan persamaan (1) boleh ditukar kepada U0=CijdijA(2) di mana Cij ialah mekanik Pekali pematuhan elastik yang setara bagi sistem; dij ialah pemalar piezoelektrik setara bagi cakera peizoelektrik transduser seramik

; A ialah faktor penguatan garis pengukur; subskrip ij masing-masing mewakili arah daya dan arah ubah bentuk. Untuk meningkatkan sensitiviti sensor piezoelektrik, adalah berkesan untuk meningkatkan nilai satu atau lebih faktor. Antaranya, potensi untuk meningkatkan nilai pemalar piezoelektrik lembaran seramik piezoelektrik adalah paling besar, dan pemalar piezoelektrik boleh ditingkatkan dengan melaraskan perumusan seramik piezoelektrik, dan piezoelektrik boleh dipertingkatkan dengan gabungan siri selari kepingan seramik piezoelektrik. Pemalar, seperti sambungan selari kepingan seramik piezoelektrik, menggandakan sensitiviti cas. Di samping itu, pemilihan keadaan elektrik lembaran seramik piezoelektrik yang betul juga boleh meningkatkan nilai pemalar piezoelektrik, seperti seramik piezoelektrik dalam keadaan litar pintas sempadan elektrik adalah lebih besar daripada pemalar piezoelektrik setara keadaan terbuka. Untuk seramik piezoelektrik, mod getaran adalah berbeza, pemalar piezoelektrik juga berbeza, dan pemalar piezoelektrik tangen (d15) lebih besar daripada pemalar piezoelektrik ketebalan (d33) dan pemalar piezoelektrik jejari (d31). Ia menunjukkan isyarat berterusan data pemalar piezoelektrik seramik piezoelektrik PZT-4, yang mungkin juga isyarat nadi, atau input berkala. Pada ketika ini, ciri keluaran penderia bukan lagi keadaan mantap, tetapi ciri peralihan sementara berlaku, iaitu hubungan antara output dan input akan menjadi fungsi masa. Ciri dinamik sensor biasanya dianalisis menggunakan ciri frekuensi amplitud. Pertama, ciri frekuensi amplitud sistem mekanikal sensor piezoelektrik dibincangkan. Sistem mekanikal secara amnya dikelaskan ke dalam sistem urutan kedua satu darjah kebebasan. Hubungan amplitud-frekuensi dikira sebagai X0=sqrt(K/m) sebagai frekuensi semula jadi sistem. Di mana K ialah pekali kekukuhan sistem, m ialah jisim sistem; N ialah pekali redaman relatif. Ia boleh diketahui daripada persamaan bahawa untuk nilai N tertentu, X/X0 berada dalam selang [0, 2/(1+4N2, ûH(jX)û ialah pemalar, dan saiznya bersamaan dengan 1/X20, iaitu had atas kekerapan maksimum sistem. Ia adalah 2X0/(1+4N2). Mengenai helaian cerazoelektrik, boleh dinamik untuk analisis cerazoelektrik dinamik bagi sistem. dianggarkan bahawa ciri frekuensi amplitudnya adalah malar pada julat frekuensi yang agak luas, dan deff adalah bersamaan dalam pemalar piezoelektrik Akhir sekali, ciri frekuensi amplitud bagi garis ukuran dibincangkan dengan mengambil penguat cas sebagai contoh, Ri ialah rintangan masukan bagi garisan pengukuran dan suap balik A ialah faktor penguat; Dalam kes di mana pembesaran adalah cukup besar, ciri frekuensi amplitud bagi garis ukuran adalah rata mengira perhubungan frekuensi amplitud berikut, iaitu, Xm1/RfCf Secara ringkasnya, apabila kekerapan variasi daya luaran berada dalam julat .Ciri frekuensi amplitud bagi piezoelektrik.

Kepekaan sensor seramik piezoelektrik diketahui daripada perbincangan di atas. Di bawah keadaan dinamik, apabila kekerapan daya luaran berada dalam julat, kepekaan sensor seramik piezoelektrik dinyatakan sebagai dinamik, dan kepingan seramik piezoelektrik diperbaiki dengan menurunkan frekuensi semula jadi sistem mekanikal. Pemalar piezoelektrik dan kaedah mengurangkan kapasitansi maklum balas garis pengukur boleh meningkatkan sensitiviti sensor piezoelektrik.

a. Menurut analisis statik, untuk meningkatkan kepekaan sensor piezoelektrik, kepekaan setiap komponen boleh dipertingkatkan, iaitu, pekali pematuhan elastik sistem mekanikal, pemalar piezoelektrik yang setara dengan kepingan seramik piezoelektrik, dan faktor penguatan garis pengukur diperbaiki. Antaranya, potensi untuk meningkatkan pemalar piezoelektrik kepingan seramik piezoelektrik adalah yang paling besar.
b. Menurut analisis dinamik, sensitiviti sensor piezoelektrik harus dipertimbangkan dalam kombinasi dengan kekerapan perubahan daya luaran. Dalam julat rata ciri frekuensi amplitud, kepekaan penderia piezoelektrik boleh dipertingkatkan dengan meningkatkan jisim sistem mekanikal, meningkatkan pemalar piezoelektrik kepingan seramik piezoelektrik, dan mengurangkan pekali kekakuan sistem mekanikal dan kemuatan maklum balas garis pengukur.
c. Digabungkan dengan analisis statik dan analisis dinamik, diketahui bahawa meningkatkan pemalar piezoelektrik kepingan seramik piezoelektrik dapat meningkatkan kepekaan sensor piezoelektrik dengan berkesan, dan juga merupakan salah satu kaedah yang paling praktikal. Ini kerana lebih mudah untuk meningkatkan pemalar piezoelektrik kepingan seramik piezoelektrik dengan melaraskan komposisi kimia seramik piezoelektrik. Selain itu, kepingan seramik piezoelektrik boleh meningkatkan pemalar piezoelektrik berkesan bagi kepingan seramik piezoelektrik dengan memilih mod getaran yang sesuai dan gabungan siri-selari.