Efekt piezoelektryczny i piezoelektryczny czujnik akustyczny

Sygnały emisji akustycznej rozchodzące się w ośrodkach stałych zawierają charakterystyczne informacje o źródłach emisji akustycznej. Aby wykorzystać te informacje do odzwierciedlenia właściwości materiału lub rozwoju defektów, konieczne jest odebranie takich sygnałów emisji akustycznej na stałych powierzchniach. Sygnały emisji akustycznej to przejściowe sygnały fal losowych o minimalnym przemieszczeniu pionowym wynoszącym około 10-7,10-14 metrów. Częstotliwość rozkłada się od infradźwięków do zakresu częstotliwości ultradźwiękowych (od kilku herców do dziesiątek megaherców). Wymaga to, aby przyrządy do wykrywania emisji akustycznej charakteryzowały się dużą szybkością reakcji, dużą czułością, dużym wzmocnieniem, szerokim zakresem dynamiki, dużą zdolnością do odzyskiwania blokad i wykrywaniem częstotliwości kryształ piezoceramiczny . można wybrać W rzeczywistym procesie wykrywania emisji akustycznej wykryte sygnały są często sygnałami złożonymi, które przeszły wielokrotne odbicia i transformacje kształtu fali. Sygnały emisji akustycznej są odbierane przez czujniki i przekształcane na sygnały elektryczne. Czujniki generują krzywą czułości częstotliwościowej zgodnie z określoną metodą kalibracji. Na tej podstawie można wybrać różne typy czujników o różnych częstotliwościach i czułościach, w zależności od celu i środowiska detekcji.

Czujnik ultradźwiękowy zbudowany jest w oparciu o zasadę, że właściwości fizyczne niektórych substancji (takich jak półprzewodniki, ceramika piezoelektryczna, kryształy piezoelektryczne, ciała ferromagnetyczne i nadprzewodniki) zmieniają się wraz z mierzonym otoczeniem. Wykorzystuje wiele efektów (w tym efektów fizycznych, chemicznych i biologicznych) oraz zjawisk fizycznych, takich jak zastosowanie rezystancji piezoelektrycznej, wrażliwości na wilgoć, wrażliwości na ciepło, wrażliwości na światło, wrażliwości magnetycznej i wrażliwości materiałów na gaz. Mierzone jest przemieszczenie, pole magnetyczne, gaz i przetwarzane na energię elektryczną. Odkrycie i wykorzystanie nowych zasad, nowych efektów oraz rozwój i zastosowanie nowych materiałów fizycznych doprowadziły do ​​rozwoju czujników fizycznych. Dlatego konieczne jest zrozumienie różnych efektów, na których opierają się czujniki, a także ich zrozumienie, rozwój i zastosowanie. W procesie detekcji emisji akustycznej wykorzystuje się zazwyczaj efekt piezoelektryczny.

Efekt piezoelektryczny jest odwracalny i jest to ogólne określenie pozytywnych i negatywnych efektów piezoelektrycznych. Zwyczajowo nazywa się dodatni efekt piezoelektryczny efektem piezoelektrycznym.

W przypadku niektórych materiałów dielektrycznych Ceramika piezoelektryczna z materiału Pzt jest odkształcana pod wpływem siły zewnętrznej w określonym kierunku, na niektórych powierzchniach materiału dielektrycznego generowane są ładunki dodatnie i ujemne o różnych znakach. Po usunięciu siły zewnętrznej wracają do stanu nienaładowanego. Zjawisko to nazywane jest dodatnim efektem piezoelektrycznym. Ładunek wytwarzany przez siłę dielektryczną jest proporcjonalny do wielkości siły zewnętrznej. Współczynnik proporcjonalności jest stałą piezoelektryczną, która jest związana z kierunkiem odkształcenia mechanicznego. Jest stała dla określonego kierunku określonego materiału. Polaryzacja ładunku generowanego przez siłę dielektryczną zależy od formy odkształcenia (ściskanie lub wydłużenie). Materiały o znaczących efektach piezoelektrycznych nazywane są materiałami piezoelektrycznymi. Powszechnie stosowane są monokryształy, takie jak kryształy kwarcu, niobian litu LiNbO3, galusan litu LiGaO3, germanian bizmutu Bi12GeO20 i polikryształy, takie jak tytanian baru po obróbce polaryzacyjnej. Elektryczna ceramika piezoelektryczna, ceramika piezoelektryczna z serii cyrkonian ołowiu i tytanian PZT. Nowe materiały piezoelektryczne obejmują polimerowe folie piezoelektryczne (takie jak polifluorek winylidenu PVDF) i półprzewodniki piezoelektryczne (takie jak ZnO, CdS). Efekt piezoelektryczny materiałów monokrystalicznych wynika z odkształcenia wewnętrznej struktury południków tych monokryształów pod wpływem naprężeń zewnętrznych, co powoduje zniszczenie pierwotnego makroskopowo obojętnego stanu i w rezultacie polaryzację. Ceramika piezoelektryczna i polimerowe folie piezoelektryczne po polaryzacji (przyłożeniu silnego pola elektrycznego o określonej temperaturze) powstają w wyniku polaryzacji domen elektrycznych i par elektrod.

Czujniki piezoelektryczne wykonane są w oparciu o dodatni efekt piezoelektryczny, przetwarzający energię nieelektryczną, taką jak ciśnienie, wibracje, przyspieszenie itp. Energia elektryczna wykorzystywana jest do precyzyjnego pomiaru.

Gdy pole elektryczne zostanie przyłożone w kierunku dielektryka polaryzacyjnego Elementy pierścienia piezoceramicznego Pzt8 , niektóre dielektryki będą powodować odkształcenie mechaniczne lub naprężenia mechaniczne w określonym kierunku. Po usunięciu zewnętrznego pola elektrycznego znikają również odkształcenia lub naprężenia. To zjawisko fizyczne nazywane jest odwrotnym efektem piezoelektrycznym. Wykorzystując odwrotny efekt piezoelektryczny, można zastosować generatory ultradźwiękowe, głośniki piezoelektryczne, oscylatory piezoelektryczne o bardzo stabilnej częstotliwości (takie jak zegary kwarcowe i zegarki z błędem dziennym i nocnym). Odwrotny efekt piezoelektryczny można wykorzystać do generowania sygnału emisji akustycznej. Ponieważ elementy konwersji piezoelektrycznej mają dwie ważne właściwości: samogenerowanie i odwracalność, a także niewielkie rozmiary, lekkość, prostą konstrukcję, niezawodne działanie, wysoką częstotliwość naturalną, wysoką czułość i wysoki stosunek sygnału do szumu, zastosowanie czujników piezoelektrycznych szybko się rozwija. Różnorodne generatory napięcia, takie jak zasilacze piezoelektryczne, kuchenki gazowe i urządzenia samozapłonu do silników samochodowych, opracowane przy użyciu dodatniego efektu piezoelektrycznego w technologii testowania. Element konwersji piezoelektrycznej jest typowym elementem wykrywającym siłę, który może mierzyć ostateczną zmienną. Wielkości fizyczne, które tworzą siłę, takie jak ciśnienie, przyspieszenie, wstrząs mechaniczny i wibracje, dlatego zastosowanie czujników piezoelektrycznych można zobaczyć w wielu dziedzinach, takich jak akustyka, mechanika, medycyna i lotniczy. Co ważniejsze, na podstawie wyników badań biopiezoelektryków uznano, że istoty żywe posiadają piezoelektryczność, a różne ludzkie narządy zmysłów są w rzeczywistości czujnikami biopiezoelektrycznymi. Jeśli złamanie zostanie leczone zgodnie z dodatnim efektem piezoelektrycznym, gojenie można przyspieszyć; odwrotny efekt piezoelektryczny można wykorzystać do zasilania kości w celu skorygowania zdeformowanych kości i innych funkcji. Główną wadą piezoelektrycznych elementów konwersji jest to, że nie mają one mocy statycznej, co wymaga wysokiej elektrycznej impedancji wyjściowej oraz kabli o niskiej pojemności i niskim poziomie szumów. Temperatura pracy wielu materiałów piezoelektrycznych wynosi zaledwie około 250°C.