Forskning på følsomheten til piezoelektriske keramiske transduserkomponenter

På grunn av den piezoelektriske effekten kan piezoelektrisk keramikk direkte konvertere ikke-elektrisitet til elektrisitet, og dens piezoelektriske konstant kan forbedres betraktelig ved å justere sammensetningen av komposisjonen  eller endre kombinasjonen av piezokeramiske plater, og dermed effektivt forbedre dens følsomhet. og mer oppmerksomhet. Grunnprinsippet og sammensetningen av den piezoelektriske sensoren introduseres kort. Faktorene som påvirker følsomheten til den piezoelektriske sensoren diskuteres i detalj fra statisk og dynamisk. På dette grunnlag oppnås en effektiv metode for å forbedre følsomheten.

Sensoren er en enhet med deteksjonsfunksjon som er mye brukt innen industri, landbruk, nasjonalt forsvar og medisin. Den kalles 'Electric Five', som oppdager ulike ikke-elektriske mengder ved å simulere funksjonene til menneskelige ansiktstrekk . piezo rund skivesvinger med piezoelektrisk effekt er et av PZT-materialene for å lage sensorer. Piezoelektriske sensorer som er kjent med inkluderer piezoelektriske akselerometre, piezoelektriske gyroer, piezoelektriske trykkmålere og galvanometre. Med utviklingen av teknologien har mange nye sensorer blitt født, og ytelsen til eksisterende sensorer har også blitt forbedret. Følsomhet er en viktig indikator på sensoren. Følgende faktorer diskuterer faktorene som påvirker sensorfølsomheten  både fra statiske og dynamiske aspekter.

Grunnleggende  prinsipper og  sammensetning av  piezoelektriske .  keramiske ensorer  ser enheter som bruker piezoelektriske effekter av piezoelektriske keramiske plater for å konvertere spenning (eller tøyning) til spenning (eller ladning) og deretter forsterke og sende dem ut gjennom en forsterker Piezoelektriske keramiske plater er nøkkelkomponentene. Fra signalkonverteringsperspektivet tilsvarer piezoelektriske keramiske plater en ladningsgenerator.

Den piezo -keramiske sensoren er sammensatt av et mekanisk system som overfører ekstern kraft til det piezoelektriske keramiske arket, et piezoelektrisk keramisk ark og en målekrets som overfører elektrisk ladning til måleren. Det mekaniske systemet er en brakettdel for montering og fiksering av det piezoelektriske keramiske arket. Systemet er i direkte kontakt med omverdenen, og når det utsettes for en ytre kraft, deformeres braketten og det piezoelektriske keramiske arket sammen. Det piezoelektriske keramiske arket genererer en ladningsutgang ved deformasjon. Målelinjen forsterker ladningen og transformerer den til en spenningsutgang.

2 Faktorer som påvirker følsomheten til den piezoelektriske sensoren

Følsomheten til en piezoelektriske plater transduser  er forholdet mellom en liten økning av utgang til en liten økning av den tilsvarende inngangen. Jo større forhold, jo høyere følsomhet. Følsomheten til den piezoelektriske sensoren er relatert til følsomheten til de tre delene som utgjør den. Siden de tre delene er koblet i serie, multipliseres følsomheten til den piezoelektriske sensoren med følsomheten til de tre delene. Følgende analyse er utført fra henholdsvis statisk og dynamisk. 

2.1 Statisk analyse
Statisk analyse refererer til analysen av forholdet mellom inngangen og utgangen til sensoren under stabile forhold. Utgangsvariabelen er bare en funksjon av inngangsvariabelen, dvs. y=f(x), og dens sensitivitet er dy.

(1) Siden det er et enkelt lineært forhold mellom S og F, Q og S, og U og Q under statiske forhold, kan det endres til U0=CijdijA, hvor Cij er den ekvivalente elastiske etterlevelseskoeffisienten til det mekaniske systemet; Dij er den ekvivalente piezoelektriske konstanten til den piezoelektriske keramikken; A er forsterkningsfaktoren til målelinjen; underskriften ij representerer retningen til kraften og retningen av deformasjonen, henholdsvis. For å øke følsomheten til den piezoelektriske sensoren, er det effektivt å øke verdien av en eller flere faktorer. Blant dem er potensialet for å øke den piezoelektriske konstantverdien til det piezoelektriske keramiske arket størst, og den piezoelektriske konstanten kan økes ved å justere formuleringen av den piezoelektriske keramikken, og piezoelektrisiteten kan forbedres ved den serieparallelle kombinasjonen av de piezoelektriske keramiske arkene. Konstanter, som parallellkobling av piezoelektriske keramiske plater, dobler ladningsfølsomheten. I tillegg kan riktig valg av de elektriske forholdene til det piezoelektriske keramiske arket også øke verdien av den piezoelektriske konstanten, slik som den piezoelektriske keramikken i den elektriske grensekortslutningstilstanden er større enn den ekvivalente piezoelektriske konstanten til åpen tilstand. For piezoelektrisk keramikk er vibrasjonsmodusen forskjellig, den piezoelektriske konstanten er også forskjellig, og den tangentielle piezoelektriske konstanten (d15) er større enn tykkelsens piezoelektriske konstant (d33) og den radielle piezoelektriske konstanten (d31). De piezoelektriske konstantdataene til PZT4 piezoelektrisk keramikk. Følsomheten til den elektriske sensoren er relatert til følsomheten til de tre komponentene som lager den. Siden de tre komponentene er koblet i serie, multipliseres følsomheten til den piezoelektriske sensoren med følsomheten til de tre komponentene. Følgende analyse er utført fra henholdsvis statisk og dynamisk.

2.1 Statisk analyse
Statisk analyse refererer til analysen av forholdet mellom inngangen og utgangen til sensoren under stabile forhold. Utgangsvariabelen er bare en funksjon av inngangsvariabelen, dvs. y=f(x), og dens sensitivitet er dy. Følsomheten til sensoren er at fordi det er en enkel lineær sammenheng mellom S og F, Q og S, og U og Q under statiske forhold, og ligning (1) kan endres til U0=CijdijA(2) hvor Cij er mekanikken Den ekvivalente elastiske ettergivenhetskoeffisienten til systemet; dij er den ekvivalente piezoelektriske konstanten til peizoelektriske skiver keramisk transduser

; A er forsterkningsfaktoren til målelinjen; underskriften ij representerer retningen til kraften og retningen av deformasjonen, henholdsvis. For å øke følsomheten til den piezoelektriske sensoren, er det effektivt å øke verdien av en eller flere faktorer. Blant dem er potensialet for å øke den piezoelektriske konstantverdien til det piezoelektriske keramiske arket størst, og den piezoelektriske konstanten kan økes ved å justere formuleringen av den piezoelektriske keramikken, og piezoelektrisiteten kan forbedres ved den serie-parallelle kombinasjonen av de piezoelektriske keramiske arkene. Konstanter, som parallellkobling av piezoelektriske keramiske plater, dobler ladningsfølsomheten. I tillegg kan riktig valg av de elektriske forholdene til det piezoelektriske keramiske arket også øke verdien av den piezoelektriske konstanten, slik som den piezoelektriske keramikken i den elektriske grensekortslutningstilstanden er større enn den ekvivalente piezoelektriske konstanten til åpen tilstand. For piezoelektrisk keramikk er vibrasjonsmodusen forskjellig, den piezoelektriske konstanten er også forskjellig, og den tangentielle piezoelektriske konstanten (d15) er større enn tykkelsens piezoelektriske konstant (d33) og den radielle piezoelektriske konstanten (d31). Den viser det piezoelektriske konstantdatasignalet til PZT-4 piezoelektrisk keramikk, som også kan være pulssignaler eller periodisk inngang. På dette tidspunktet er utgangskarakteristikkene til sensoren ikke lenger stabil tilstand, men en transient overgangskarakteristikk oppstår, det vil si at forholdet mellom utgangen og inngangen vil være en funksjon av tid. De dynamiske egenskapene til sensoren analyseres vanligvis ved hjelp av amplitude-frekvenskarakteristikk. Først diskuteres amplitude-frekvenskarakteristikkene til det mekaniske systemet til den piezoelektriske sensoren. Det mekaniske systemet er generelt klassifisert i et enkelt-frihetsgrad andre-ordens system. Amplitude-frekvensforholdet beregnes som X0=sqrt(K/m) som egenfrekvensen til systemet. Der K er stivhetskoeffisienten til systemet, m er massen til systemet; N er den relative dempningskoeffisienten. Det kan være kjent fra ligningen at for en viss verdi av N, er X/X0 i intervallet [0, 2/(1+4N2, ûH(jX)û er en konstant, og størrelsen er lik 1/X20, som er den øvre grensen for systemets maksimale frekvens. Det er 2X0/(1+4N2). bekvemmelighet for diskusjon, kan det anslås at dens amplitude-frekvenskarakteristikk er konstante over et ganske bredt frekvensområde, og deff er ekvivalent i den piezoelektriske konstanten. Til slutt diskuteres amplitude-frekvenskarakteristikkene til målelinjen henholdsvis tilbakekoblingsmotstanden og tilbakekoblingskapasitansen I tilfellet hvor forstørrelsen er tilstrekkelig stor, er amplitude-frekvenskarakteristikken til målelinjen flat ved å beregne følgende amplitude-frekvensforhold, det vil si Xm1/RfCf, når variasjonsfrekvensen til den ytre kraften er innenfor det flate frekvensområdet for sensoren.

Følsomheten til den piezoelektriske keramiske sensoren er kjent fra diskusjonen ovenfor. Under dynamiske forhold, når frekvensen til den ytre kraften er innenfor området, uttrykkes følsomheten til den piezoelektriske keramiske sensoren som dynamisk, og den piezoelektriske keramiske platen forbedres ved å senke den naturlige frekvensen til det mekaniske systemet. Den piezoelektriske konstanten og metoden for å redusere tilbakemeldingskapasitansen til målelinjen kan forbedre følsomheten til den piezoelektriske sensoren.

en. I følge statisk analyse, for å forbedre følsomheten til den piezoelektriske sensoren, kan følsomheten til hver komponent forbedres, det vil si at den elastiske etterlevelseskoeffisienten til det mekaniske systemet, den ekvivalente piezoelektriske konstanten til det piezoelektriske keramiske stykket og forsterkningsfaktoren til målelinjen forbedres. Blant dem er potensialet for å øke den piezoelektriske konstanten til det piezoelektriske keramiske arket størst.
b. I henhold til den dynamiske analysen bør følsomheten til den piezoelektriske sensoren vurderes i kombinasjon med endringsfrekvensen til den ytre kraften. I det flate området av amplitude-frekvenskarakteristikker kan følsomheten til den piezoelektriske sensoren forbedres ved å øke massen til det mekaniske systemet, øke den piezoelektriske konstanten til det piezoelektriske keramiske arket, og redusere stivhetskoeffisienten til det mekaniske systemet og tilbakekoblingskapasitansen til målelinjen.
c. Kombinert med statisk analyse og dynamisk analyse er det kjent at å øke den piezoelektriske konstanten til det piezoelektriske keramiske arket effektivt kan forbedre følsomheten til den piezoelektriske sensoren, og er også en av de mest praktiske metodene. Dette er fordi det er lettere å øke den piezoelektriske konstanten til det piezoelektriske keramiske arket ved å justere den kjemiske sammensetningen til den piezoelektriske keramikken. Dessuten kan det piezoelektriske keramiske arket øke den effektive piezoelektriske konstanten til det piezoelektriske keramiske arket ved å velge en passende vibrasjonsmodus og en serie-parallell kombinasjon.