Piezoeffekt og piezoelektrisk akustisk sensor

Akustiske emisjonssignaler forplanter seg i faste medier inneholder karakteristisk informasjon om akustiske utslippskilder. For å bruke denne informasjonen til å reflektere materialegenskaper eller utvikling av defekter, er det nødvendig å motta slike akustiske emisjonssignaler på faste overflater. Akustiske emisjonssignaler er transiente tilfeldige bølgesignaler med en minimum vertikal forskyvning på ca. 10-7,10-14 meter. Frekvensen er fordelt i frekvensområdet infralyd til ultralyd (flere hertz til titalls megahertz). Dette krever at instrumenter for deteksjon av akustiske utslipp har høy responshastighet, høy følsomhet, høy forsterkning, bredt dynamisk område, sterk blokkeringsgjenvinningsevne og frekvensdeteksjon av piezo keramisk skivekrystall kan velges. I selve den akustiske emisjonsdeteksjonsprosessen er de detekterte signalene ofte komplekse signaler som har gjennomgått flere refleksjoner og bølgeformtransformasjoner. Akustiske emisjonssignaler mottas av sensorer og konverteres til elektriske signaler. Sensorene gir en frekvensfølsomhetskurve i henhold til en spesifikk kalibreringsmetode. Basert på dette kan forskjellige typer sensorer med forskjellige frekvenser og følsomheter velges i henhold til formålet og miljøet for deteksjonen.

Ultralydsensoren er laget basert på prinsippet om at de fysiske egenskapene til visse stoffer (som halvledere, piezokeramikk, piezoelektriske krystaller, ferromagnetiske legemer og superledere) endres med utsiden som skal måles. Den bruker mange effekter (inkludert fysiske effekter, kjemiske effekter og biologiske effekter) og fysiske fenomener, som bruk av piezo-motstand, fuktighetsfølsomhet, varmefølsomhet, lysfølsomhet, magnetisk følsomhet og gassfølsomhet for materialer. Forskyvning, magnetfelt, gass måles og omdannes til elektrisitet. Oppdagelsen og utnyttelsen av nye prinsipper, nye effekter og utvikling og anvendelse av nye fysiske materialer har ført til utvikling av fysiske sensorer. Det er derfor nødvendig å forstå de ulike effektene som sensorene er basert på, og å forstå, utvikle og anvende dem. I den akustiske utslippsdeteksjonsprosessen brukes vanligvis den piezoelektriske effekten.

Den piezoelektriske effekten er reversibel, som er en generell betegnelse for de positive og negative piezoelektriske effektene. Det er vanlig å kalle den positive piezoelektriske effekten en piezoelektrisk effekt.

Når visse dielektriske materialer av Pzt-materiale piezoelektrisk keramikk deformeres av ytre kraft i en viss retning, positive og negative ladninger av forskjellige tegn genereres på visse overflater av det dielektriske materialet. Etter at den ytre kraften er fjernet, går de tilbake til en uladet tilstand. Dette fenomenet kalles positiv piezoelektrisk effekt. Ladningen som genereres av en dielektrisk kraft er proporsjonal med størrelsen på den ytre kraften. Proporsjonalitetskoeffisienten er en piezoelektrisk konstant, som er relatert til retningen av mekanisk deformasjon. Den er konstant for en bestemt retning av et bestemt materiale. Polariteten til ladningen generert av en dielektrisk kraft avhenger av formen for deformasjon (kompresjon eller forlengelse). Materialer med betydelige piezoelektriske effekter kalles piezoelektriske materialer. Vanligvis brukt er enkeltkrystaller som kvartskrystaller, litiumniobat LiNbO3, litiumgallat LiGaO3, vismutgermanat Bi12GeO20 og polykrystaller som bariumtitanat etter polarisasjonsbehandling. Elektrisk piezo keramikk, bly zirconate titanate serie piezoelektrisk keramikk PZT. Nye piezoelektriske materialer inkluderer piezoelektriske polymerfilmer (som polyvinylidenfluorid PVDF) og piezoelektriske halvledere (som ZnO, CdS). Den piezoelektriske effekten av enkeltkrystallmaterialer skyldes deformasjonen av den indre meridianstrukturen til disse enkeltkrystallene når de utsettes for ytre påkjenninger, noe som forårsaker at den opprinnelige makroskopisk nøytrale tilstanden blir ødelagt og resulterer i polarisering. De piezoelektriske keramiske og polymer piezoelektriske filmene etter polarisering (et sterkt elektrisk felt påføres ved en viss temperatur) er resultatet av polariseringen av elektriske domener og elektrodepar.

Piezoelektriske sensorer er laget ved hjelp av den positive piezoelektriske effekten konverterer ikke-elektrisk energi som trykk, vibrasjon, akselerasjon osv. elektrisk energi brukes til presis måling.

Når et elektrisk felt påføres i retning av polarisering dielektrisk av Pzt8 piezokeramiske ringkomponenter , noen dielektriske stoffer vil produsere mekanisk deformasjon eller mekanisk spenning i en bestemt retning. Når det eksterne elektriske feltet fjernes, forsvinner også deformasjonen eller spenningen. Dette fysiske fenomenet kalles den inverse piezoelektriske effekten. Bruk av den inverse piezoelektriske effekten kan gjøres til ultralydgeneratorer, piezoelektriske høyttalere, piezokrystalloscillatorer med en svært stabil frekvens (som kvartsklokker og klokker med dag- og nattfeil). Den omvendte piezoelektriske effekten kan brukes til generering av akustiske emisjonssignaler. Fordi piezoelektriske konverteringselementer har to viktige egenskaper for selvgenererende og reversible, pluss dens lille størrelse, lette vekt, enkle struktur, pålitelige drift, høye egenfrekvens, høy følsomhet og høye signal-til-støy-forhold, får anvendelsen av piezoelektriske sensorer rask utvikling. En rekke spenningsgeneratorer som piezoelektriske strømforsyninger, gassovner og selvtenningsenheter for bilmotorer utviklet ved bruk av den positive piezoelektriske effekten i testteknologien, det piezoelektriske konverteringselementet er et typisk kraftfølende element, som kan måle den endelige foranderlige .De fysiske mengdene som danner trykk, støt, akselerasjon og derfor kraft, støt, og derfor. piezoelektriske sensorer kan sees i et bredt spekter av felt som akustikk, mekanikk, medisin og romfart. Det som er mer betydningsfullt er at i henhold til resultatene av bio-piezoelektrikk, er det anerkjent at levende ting har piezoelektrisitet, og forskjellige menneskelige sanseorganer er faktisk bio-piezoelektriske sensorer. Hvis bruddet behandles i henhold til den positive piezoelektriske effekten, kan helbredelsen akselereres; den omvendte piezoelektriske effekten kan brukes til å drive beinene til å korrigere deformerte bein og andre funksjoner. Den største ulempen med piezoelektriske konverteringselementer er at de ikke har noen statisk utgang, som krever høy elektrisk utgangsimpedans, og krever kabler med lav kapasitans og lavt støynivå. Driftstemperaturen til mange piezoelektriske materialer er bare rundt 250 ° C.