Piëzo-effect en piëzo-elektrische akoestische sensor

Akoestische emissiesignalen die zich voortplanten in de vaste media bevatten karakteristieke informatie van bronnen van akoestische emissie. Om deze informatie te gebruiken om materiaaleigenschappen of de ontwikkeling van defecten weer te geven, is het noodzakelijk om dergelijke akoestische emissiesignalen op vaste oppervlakken te ontvangen. Akoestische emissiesignalen zijn transiënte willekeurige golfsignalen met een minimale verticale verplaatsing van ongeveer 10-7,10-14 meter. De frequentie wordt verdeeld in het infrageluid- tot ultrasoon frequentiebereik (enkele hertz tot tientallen megahertz). Dit vereist dat instrumenten voor de detectie van akoestische emissies een hoge responssnelheid, hoge gevoeligheid, hoge versterking, groot dynamisch bereik, sterk blokherstelvermogen en frequentiedetectie van piëzo-keramisch schijfkristal kan worden geselecteerd. Bij het daadwerkelijke detectieproces van akoestische emissie zijn de gedetecteerde signalen vaak complexe signalen die meerdere reflecties en golfvormtransformaties hebben ondergaan. Akoestische emissiesignalen worden door sensoren ontvangen en omgezet in elektrische signalen. De sensoren geven een frequentiegevoeligheidscurve weer volgens een specifieke kalibratiemethode. Op basis hiervan kunnen verschillende soorten sensoren met verschillende frequenties en gevoeligheden worden geselecteerd, afhankelijk van het doel en de detectieomgeving.

De ultrasone sensor is gemaakt op basis van het principe dat de fysieke eigenschappen van bepaalde stoffen (zoals halfgeleiders, piëzo-keramiek, piëzo-elektrische kristallen, ferromagnetische lichamen en supergeleiders) veranderen met de te meten buitenkant. Het maakt gebruik van veel effecten (waaronder fysieke effecten, chemische effecten en biologische effecten) en fysieke verschijnselen, zoals het gebruik van piëzo-weerstand, vochtgevoeligheid, hittegevoeligheid, lichtgevoeligheid, magnetische gevoeligheid en gasgevoeligheid van materialen. Verplaatsing, magnetisch veld, gas wordt gemeten en omgezet in elektriciteit. De ontdekking en het gebruik van nieuwe principes, nieuwe effecten en de ontwikkeling en toepassing van nieuwe fysieke materialen hebben geleid tot de ontwikkeling van fysieke sensoren. Het is daarom noodzakelijk om de verschillende effecten waarop de sensoren zijn gebaseerd te begrijpen, te begrijpen, te ontwikkelen en toe te passen. Bij het detectieproces van akoestische emissie wordt meestal het piëzo-elektrische effect gebruikt.

Het piëzo-elektrische effect is omkeerbaar, wat een algemene term is voor de positieve en negatieve piëzo-elektrische effecten. Het is gebruikelijk om het positieve piëzo-elektrische effect een piëzo-elektrisch effect te noemen.

Wanneer bepaalde diëlektrische materialen van Pzt-materiaal piëzo-elektrisch keramiek wordt vervormd door externe kracht in een bepaalde richting, positieve en negatieve ladingen met verschillende tekens worden gegenereerd op bepaalde oppervlakken van het diëlektrische materiaal. Nadat de externe kracht is verwijderd, keren ze terug naar een ongeladen toestand. Dit fenomeen wordt positief piëzo-elektrisch effect genoemd. De lading die wordt gegenereerd door een diëlektrische kracht is evenredig met de grootte van de externe kracht. De evenredigheidscoëfficiënt is een piëzo-elektrische constante, die gerelateerd is aan de richting van mechanische vervorming. Het is constant voor een bepaalde richting van een bepaald materiaal. De polariteit van de lading gegenereerd door een diëlektrische kracht hangt af van de vorm van vervorming (compressie of rek). Materialen met aanzienlijke piëzo-elektrische effecten worden piëzo-elektrische materialen genoemd. Veelgebruikte kristallen zoals kwartskristallen, lithiumniobaat LiNbO3, lithiumgallaat LiGaO3, bismutgermanaat Bi12GeO20 en polykristallen zoals bariumtitanaat na polarisatiebehandeling. Elektrische piëzo-keramiek, loodzirkonaat-titanaat-serie piëzo-elektrische keramiek PZT. Nieuwe piëzo-elektrische materialen omvatten piëzo-elektrische polymeerfilms (zoals polyvinylideenfluoride PVDF) en piëzo-elektrische halfgeleiders (zoals ZnO, CdS). Het piëzo-elektrische effect van monokristallijne materialen is te wijten aan de vervorming van de interne meridiaanstructuur van deze monokristallen wanneer ze worden blootgesteld aan externe spanning, waardoor de oorspronkelijke macroscopisch neutrale toestand wordt vernietigd en polarisatie ontstaat. De piëzo-elektrische keramische en polymeer-piëzo-elektrische films na polarisatie (een sterk elektrisch veld wordt aangelegd bij een bepaalde temperatuur) zijn het resultaat van de polarisatie van elektrische domeinen en elektrodeparen.

Piëzo-elektrische sensoren worden gemaakt met behulp van het positieve piëzo-elektrische effect en zetten niet-elektrische energie om, zoals druk, trillingen, versnelling, enz. Elektrische energie wordt gebruikt voor nauwkeurige metingen.

Wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd in de polarisatierichting van het diëlektricum Pzt8 piëzokeramische ringcomponenten , sommige diëlektrica zullen mechanische vervorming of mechanische spanning in een bepaalde richting veroorzaken. Wanneer het externe elektrische veld wordt verwijderd, verdwijnt ook de vervorming of spanning. Dit fysieke fenomeen wordt het omgekeerde piëzo-elektrische effect genoemd. Door gebruik te maken van het omgekeerde piëzo-elektrische effect kunnen ultrasone generatoren, piëzo-elektrische luidsprekers en piëzo-kristaloscillatoren met een zeer stabiele frequentie worden gemaakt (zoals kwartsklokken en horloges met een dag- en nachtfout). Het omgekeerde piëzo-elektrische effect kan worden gebruikt voor het genereren van akoestische emissiesignalen. Omdat piëzo-elektrische conversie-elementen twee belangrijke eigenschappen hebben: zelfgenererend en omkeerbaar, plus het kleine formaat, het lichte gewicht, de eenvoudige structuur, de betrouwbare werking, de hoge natuurlijke frequentie, de hoge gevoeligheid en de hoge signaal-ruisverhouding, krijgt de toepassing van piëzo-elektrische sensoren een snelle ontwikkeling. Een verscheidenheid aan spanningsgeneratoren, zoals piëzo-elektrische voedingen, gasfornuizen en zelfontstekingsapparaten voor automotoren, ontwikkeld met behulp van het positieve piëzo-elektrische effect in de testtechnologie, het piëzo-elektrische conversie-element is een typisch krachtsensorelement, dat de uiteindelijke veranderlijke kan meten. Die fysieke grootheden die een kracht vormen, zoals druk, versnelling, mechanische schokken en trillingen, daarom is de toepassing van piëzo-elektrische sensoren te zien in een breed scala van velden, zoals akoestiek, mechanica, geneeskunde en ruimtevaart. Wat belangrijker is, is dat volgens de resultaten van bio-piëzo-elektriciteit wordt erkend dat levende wezens piëzo-elektriciteit hebben, en dat verschillende menselijke zintuigen in feite bio-piëzo-elektrische sensoren zijn. Als de breuk wordt behandeld volgens het positieve piëzo-elektrische effect, kan de genezing worden versneld; het omgekeerde piëzo-elektrische effect kan worden gebruikt om de botten van stroom te voorzien om vervormde botten en andere functies te corrigeren. Het belangrijkste nadeel van piëzo-elektrische conversie-elementen is dat ze geen statische output hebben, wat een hoge elektrische uitgangsimpedantie vereist, en kabels met een lage capaciteit en weinig ruis vereisen. De bedrijfstemperatuur van veel piëzo-elektrische materialen bedraagt ​​slechts ongeveer 250 ° C.