Onderzoek naar de gevoeligheid van piëzo-elektrische keramische transducercomponenten

Vanwege het piëzo-elektrische effect kan piëzo-elektrische keramiek niet-elektriciteit direct omzetten in elektriciteit, en de piëzo-elektrische constante ervan kan aanzienlijk worden verbeterd door de samenstelling van de compositie aan te passen  of de combinatie van piëzo-keramische platen te veranderen, waardoor de gevoeligheid ervan effectief wordt verbeterd. Daarom krijgen transducer-piëzo-elektrische keramiek als gevoelige elementen steeds meer aandacht. Het basisprincipe en de samenstelling van de piëzo-elektrische sensor worden kort geïntroduceerd. De factoren die de gevoeligheid van de piëzo-elektrische sensor beïnvloeden, worden in detail besproken, zowel statisch als dynamisch. Op deze basis wordt een effectieve werkwijze voor het verbeteren van de gevoeligheid verkregen.

De sensor is een apparaat met detectiefunctie dat veel wordt gebruikt in de sectoren industrie, landbouw, nationale defensie en geneeskunde. Het heet 'Electric Five', dat verschillende niet-elektrische grootheden detecteert door de functies van menselijke gezichtskenmerken te simuleren . piëzo-ronde schijftransducers met piëzo-elektrisch effect zijn een van de PZT-materialen voor het maken van sensoren. Piëzo-elektrische sensoren waarmee u bekend bent, zijn onder meer piëzo-elektrische versnellingsmeters, piëzo-elektrische gyroscopen, piëzo-elektrische manometers en galvanometers. Met de vooruitgang van de technologie zijn er veel nieuwe sensoren geboren en zijn ook de prestaties van bestaande sensoren verbeterd. Gevoeligheid is een belangrijke indicator van de sensor. De volgende factoren bespreken de factoren die de sensorgevoeligheid beïnvloeden vanuit  zowel statische als dynamische aspecten.

Basisprincipes  te en  samenstelling van  piëzo -elektrische  keramische sensoren zijn apparaten die piëzo-elektrische effecten van piëzo-elektrische keramische platen gebruiken om spanning (of rek) om te zetten in spanning (of lading) en deze vervolgens te versterken en uit  svoeren via een versterker. Piëzo-elektrische keramische platen zijn de belangrijkste componenten. Vanuit het perspectief van signaalconversie zijn piëzo-elektrische keramische platen gelijkwaardig aan een ladingsgenerator.

De piëzo -keramische sensor bestaat uit een mechanisch systeem dat externe kracht overbrengt op de piëzo-elektrische keramische plaat, een piëzo- elektrische keramische plaat en een meetcircuit dat elektrische lading naar de meter overbrengt. Het mechanische systeem is een beugelgedeelte voor het monteren en bevestigen van de piëzo-elektrische keramische plaat. Het systeem staat in direct contact met de buitenwereld en wanneer het wordt blootgesteld aan een externe kracht, worden de beugel en de piëzo-elektrische keramische plaat samen vervormd. De piëzo-elektrische keramische plaat genereert een lading door vervorming. De meetlijn versterkt de lading en zet deze om in een spanningsuitgang.

2 Factoren die de gevoeligheid van de piëzo-elektrische sensor beïnvloeden

De gevoeligheid van een piëzo-elektrische schijventransducer  is de verhouding van een kleine toename van de output tot een kleine toename van de overeenkomstige input. Hoe groter de verhouding, hoe hoger de gevoeligheid. De gevoeligheid van de piëzo-elektrische sensor houdt verband met de gevoeligheid van de drie onderdelen waaruit deze bestaat. Omdat de drie delen in serie zijn geschakeld, wordt de gevoeligheid van de piëzo-elektrische sensor vermenigvuldigd met de gevoeligheid van de drie delen. De volgende analyse wordt respectievelijk uitgevoerd vanuit statisch en dynamisch. 

2.1 Statische analyse
Statische analyse heeft betrekking op de analyse van de relatie tussen de input en output van de sensor onder stabiele omstandigheden. De uitgangsvariabele is alleen een functie van de ingangsvariabele, dwz y=f(x), en de gevoeligheid ervan is dy.

(1) Omdat er onder statische omstandigheden een eenvoudig lineair verband bestaat tussen S en F, Q en S, en U en Q, kan dit worden gewijzigd in U0=CijdijA, waarbij Cij de equivalente elastische compliantiecoëfficiënt van het mechanische systeem is; Dij is de equivalente piëzo-elektrische constante van het piëzo-elektrische keramiek; A is de versterkingsfactor van de meetlijn; het subscript ij vertegenwoordigt respectievelijk de richting van de kracht en de richting van de vervorming. Om de gevoeligheid van de piëzo-elektrische sensor te vergroten, is het effectief om de waarde van een of meer factoren te verhogen. Onder hen is het potentieel voor het verhogen van de piëzo-elektrische constantewaarde van de piëzo-elektrische keramische plaat het grootst, en de piëzo-elektrische constante kan worden verhoogd door de formulering van het piëzo-elektrische keramiek aan te passen, en de piëzo-elektriciteit kan worden verbeterd door de serieparallelle combinatie van de piëzo-elektrische keramische platen. Constanten, zoals de parallelle aansluiting van piëzo-elektrische keramische platen, verdubbelen de ladingsgevoeligheid. Bovendien kan een juiste selectie van de elektrische omstandigheden van de piëzo-elektrische keramische plaat ook de waarde van de piëzo-elektrische constante verhogen, omdat het piëzo-elektrische keramiek in de elektrische grenskortsluitingstoestand groter is dan de equivalente piëzo-elektrische constante van de open toestand. Voor piëzo-elektrische keramiek is de trillingsmodus anders, de piëzo-elektrische constante is ook anders en de tangentiële piëzo-elektrische constante (d15) is groter dan de piëzo-elektrische constante van de dikte (d33) en de radiale piëzo-elektrische constante (d31). De piëzo-elektrische constante gegevens van PZT4 piëzo-elektrische keramiek. De gevoeligheid van de elektrische sensor houdt verband met de gevoeligheid van de drie componenten waaruit deze bestaat. Omdat de drie componenten in serie zijn geschakeld, wordt de gevoeligheid van de piëzo-elektrische sensor vermenigvuldigd met de gevoeligheid van de drie componenten. De volgende analyse wordt respectievelijk uitgevoerd vanuit statisch en dynamisch.

2.1 Statische analyse
Statische analyse heeft betrekking op de analyse van de relatie tussen de input en output van de sensor onder stabiele omstandigheden. De uitgangsvariabele is alleen een functie van de ingangsvariabele, dwz y=f(x), en de gevoeligheid ervan is dy. De gevoeligheid van de sensor is dat omdat er een eenvoudig lineair verband bestaat tussen S en F, Q en S, en U en Q onder statische omstandigheden, en vergelijking (1) kan worden gewijzigd in U0=CijdijA(2) waarbij Cij de mechanica is. De equivalente elastische compliantiecoëfficiënt van het systeem; dij is de equivalente piëzo-elektrische constante van de peizo-elektrische schijven keramische transducer

; A is de versterkingsfactor van de meetlijn; het subscript ij vertegenwoordigt respectievelijk de richting van de kracht en de richting van de vervorming. Om de gevoeligheid van de piëzo-elektrische sensor te vergroten, is het effectief om de waarde van een of meer factoren te verhogen. Onder hen is het potentieel voor het verhogen van de piëzo-elektrische constantewaarde van de piëzo-elektrische keramische plaat het grootst, en de piëzo-elektrische constante kan worden verhoogd door de formulering van het piëzo-elektrische keramiek aan te passen, en de piëzo-elektriciteit kan worden verbeterd door de serie-parallelle combinatie van de piëzo-elektrische keramische platen. Constanten, zoals de parallelle aansluiting van piëzo-elektrische keramische platen, verdubbelen de ladingsgevoeligheid. Bovendien kan een juiste selectie van de elektrische omstandigheden van de piëzo-elektrische keramische plaat ook de waarde van de piëzo-elektrische constante verhogen, omdat het piëzo-elektrische keramiek in de elektrische grenskortsluitingstoestand groter is dan de equivalente piëzo-elektrische constante van de open toestand. Voor piëzo-elektrische keramiek is de trillingsmodus anders, de piëzo-elektrische constante is ook anders en de tangentiële piëzo-elektrische constante (d15) is groter dan de piëzo-elektrische constante van de dikte (d33) en de radiale piëzo-elektrische constante (d31). Het toont het piëzo-elektrische constante gegevenscontinue signaal van PZT-4 piëzo-elektrische keramiek, wat ook pulssignalen of periodieke invoer kunnen zijn. Op dit punt zijn de uitgangskarakteristieken van de sensor niet langer stabiel, maar treedt er een voorbijgaande overgangskarakteristiek op, dat wil zeggen dat de relatie tussen de uitgang en de ingang een functie van de tijd zal zijn. De dynamische eigenschappen van de sensor worden meestal geanalyseerd met behulp van amplitude-frequentiekarakteristieken. Eerst worden de amplitude-frequentiekarakteristieken van het mechanische systeem van de piëzo-elektrische sensor besproken. Het mechanische systeem wordt over het algemeen geclassificeerd in een systeem van de tweede orde met één vrijheidsgraad. De amplitude-frequentierelatie wordt berekend als X0=sqrt(K/m) als de natuurlijke frequentie van het systeem. Waar K de stijfheidscoëfficiënt van het systeem is, is m de massa van het systeem; N is de relatieve dempingscoëfficiënt. Uit de vergelijking kan worden afgeleid dat voor een bepaalde waarde van N, X/X0 in het interval [0, 2/(1+4N2) ligt, ûH(jX)û een constante is, en dat de grootte gelijk is aan 1/X20, wat de bovengrens is van de maximale frequentie van het systeem. Het is 2X0/(1+4N2). Met betrekking tot de dynamische analyse van piëzo-elektrische keramische platen kan voor het gemak van de discussie worden geschat dat de amplitude-frequentiekarakteristieken zijn constant over een vrij breed frequentiebereik, en deff is equivalent in de piëzo-elektrische constante. Tenslotte worden de amplitude-frequentiekarakteristieken van de meetlijn besproken. Als we de ladingsversterker als voorbeeld nemen, is Ri de ingangsweerstand van de meetlijn. A is de versterkingsfactor van de versterker. Rf en Cf zijn respectievelijk de feedbackweerstand en de feedbackcapaciteit amplitude-frequentierelatie, dat wil zeggen Xm1/RfCf. Samenvattend, wanneer de variatiefrequentie van de externe kracht binnen het bereik ligt. De amplitude-frequentiekarakteristiek van de piëzo-elektrische sensor is vlak.

De gevoeligheid van de piëzo-elektrische keramische sensor is bekend uit de bovenstaande bespreking. Onder dynamische omstandigheden, wanneer de frequentie van de externe kracht binnen het bereik ligt, wordt de gevoeligheid van de piëzo-elektrische keramische sensor uitgedrukt als dynamisch, en wordt de piëzo-elektrische keramische plaat verbeterd door de eigenfrequentie van het mechanische systeem te verlagen. De piëzo-elektrische constante en de methode voor het verminderen van de feedbackcapaciteit van de meetlijn kunnen de gevoeligheid van de piëzo-elektrische sensor verbeteren.

A. Volgens statische analyse kan, om de gevoeligheid van de piëzo-elektrische sensor te verbeteren, de gevoeligheid van elke component worden verbeterd, dat wil zeggen dat de elastische compliantiecoëfficiënt van het mechanische systeem, de equivalente piëzo-elektrische constante van het piëzo-elektrische keramische stuk en de versterkingsfactor van de meetlijn zijn verbeterd. Onder hen is het potentieel voor het verhogen van de piëzo-elektrische constante van de piëzo-elektrische keramische plaat het grootst.
B. Volgens de dynamische analyse moet de gevoeligheid van de piëzo-elektrische sensor worden overwogen in combinatie met de frequentie van verandering van de externe kracht. In het vlakke bereik van amplitude-frequentiekarakteristieken kan de gevoeligheid van de piëzo-elektrische sensor worden verbeterd door de massa van het mechanische systeem te vergroten, de piëzo-elektrische constante van de piëzo-elektrische keramische plaat te vergroten en de stijfheidscoëfficiënt van het mechanische systeem en de feedbackcapaciteit van de meetlijn te verminderen.
C. Gecombineerd met statische analyse en dynamische analyse is het bekend dat het verhogen van de piëzo-elektrische constante van de piëzo-elektrische keramische plaat de gevoeligheid van de piëzo-elektrische sensor effectief kan verbeteren, en ook een van de meest praktische methoden is. Dit komt omdat het gemakkelijker is om de piëzo-elektrische constante van de piëzo-elektrische keramische plaat te verhogen door de chemische samenstelling van het piëzo-elektrische keramiek aan te passen. Bovendien kan de piëzo-elektrische keramische plaat de effectieve piëzo-elektrische constante van de piëzo-elektrische keramische plaat verhogen door een geschikte trillingsmodus en een serie-parallelle combinatie te selecteren.