Badania czułości elementów piezoelektrycznych przetworników ceramicznych

Dzięki efektowi piezoelektrycznemu ceramika piezoelektryczna może bezpośrednio przekształcać energię nieelektryczną w energię elektryczną, a jej stałą piezoelektryczną można znacznie poprawić dostosowując skład składu  lub zmieniając kombinację arkuszy piezoceramicznych, skutecznie poprawiając w ten sposób jego czułość. Dlatego ceramika ezoelektryczna przetwornika pi jako wrażliwe elementy cieszy się coraz większym zainteresowaniem. Krótko przedstawiono podstawową zasadę i budowę czujnika piezoelektrycznego. Szczegółowo omówiono czynniki wpływające na czułość czujnika piezoelektrycznego, począwszy od statycznych i dynamicznych. Na tej podstawie uzyskuje się skuteczną metodę poprawy czułości.

Czujnik jest urządzeniem posiadającym funkcję detekcji, szeroko stosowanym w przemyśle, rolnictwie, obronie narodowej i medycynie. Nazywa się „Elektryczną Piątką” i wykrywa różne wielkości nieelektryczne, symulując funkcje ludzkich rysów twarzy . Przetworniki piezoelektryczne okrągłe z efektem piezoelektrycznym są jednym z materiałów PZT do wykonywania czujników. Znane czujniki piezoelektryczne obejmują akcelerometry piezoelektryczne, żyroskopy piezoelektryczne, manometry piezoelektryczne i galwanometry. Wraz z postępem technologii narodziło się wiele nowych czujników, a także poprawiono działanie istniejących czujników. Czułość jest ważnym wskaźnikiem czujnika. Poniższe czynniki omawiają czynniki wpływające na czułość czujnika  zarówno w aspekcie statycznym, jak i dynamicznym.

Podstawowe  zasady i  skład piezoelektrycznych  . wzmacniacz  ceramicznych czujników  sto urządzenia wykorzystujące efekty piezoelektryczne piezoelektrycznych arkuszy ceramicznych do przekształcania naprężenia (lub odkształcenia) na napięcie (lub ładunek), a następnie wzmacniania ich i wysyłania przez Kluczowymi elementami są piezoelektryczne płyty ceramiczne. Z punktu widzenia konwersji sygnału piezoelektryczne płyty ceramiczne są odpowiednikiem generatora ładunku. Czujnik

piezoceramiczny składa się z układu mechanicznego, który przenosi siłę zewnętrzną na piezoelektryczną płytkę ceramiczną, piezoelektryczną płytkę ceramiczną oraz obwód pomiarowy, który przenosi ładunek elektryczny do licznika. Układ mechaniczny stanowi część wspornikową do montażu i mocowania piezoelektrycznej płyty ceramicznej. System ma bezpośredni kontakt ze światem zewnętrznym i pod wpływem działania siły zewnętrznej wspornik i piezoelektryczna płyta ceramiczna ulegają wspólnemu odkształceniu. Piezoelektryczny arkusz ceramiczny generuje ładunek wyjściowy w wyniku odkształcenia. Linia pomiarowa wzmacnia ładunek i przekształca go w napięcie wyjściowe.

2 Czynniki wpływające na czułość czujnika piezoelektrycznego

Wrażliwość A Przetwornik dysków piezoelektrycznych  to stosunek małego przyrostu sygnału wyjściowego do małego przyrostu odpowiedniego sygnału wejściowego. Im większy współczynnik, tym wyższa czułość. Czułość czujnika piezoelektrycznego jest powiązana z czułością trzech części, które go tworzą. Ponieważ trzy części są połączone szeregowo, czułość czujnika piezoelektrycznego jest mnożona przez czułość trzech części. Poniższa analiza jest przeprowadzana odpowiednio w oparciu o statyczną i dynamiczną. 

2.1 Analiza statyczna
Analiza statyczna odnosi się do analizy zależności pomiędzy wejściem i wyjściem czujnika w warunkach stanu ustalonego. Zmienna wyjściowa jest jedynie funkcją zmiennej wejściowej, tj. y=f(x), a jej czułość wynosi dy.

(1) Ponieważ istnieje prosta liniowa zależność pomiędzy S i F, Q i S oraz U i Q w warunkach statycznych, można ją zmienić na U0=CijdijA, gdzie Cij jest równoważnym współczynnikiem podatności sprężystej układu mechanicznego; Dij jest równoważną stałą piezoelektryczną ceramiki piezoelektrycznej; A jest współczynnikiem wzmocnienia linii pomiarowej; indeks dolny ij oznacza odpowiednio kierunek siły i kierunek odkształcenia. Aby zwiększyć czułość czujnika piezoelektrycznego, skuteczne jest zwiększenie wartości jednego lub większej liczby współczynników. Wśród nich potencjał zwiększenia wartości stałej piezoelektrycznej piezoelektrycznego arkusza ceramicznego jest największy, a stałą piezoelektryczną można zwiększyć, dostosowując skład ceramiki piezoelektrycznej, a piezoelektryczność można poprawić poprzez szeregowe równoległe połączenie piezoelektrycznych arkuszy ceramicznych. Stałe, takie jak równoległe połączenie piezoelektrycznych arkuszy ceramicznych, podwajają czułość ładunku. Ponadto odpowiedni dobór warunków elektrycznych piezoelektrycznej blachy ceramicznej może również zwiększyć wartość stałej piezoelektrycznej, np. ceramika piezoelektryczna w stanie zwarcia na granicy elektrycznej jest większa niż równoważna stała piezoelektryczna stanu otwartego. W przypadku ceramiki piezoelektrycznej tryb wibracji jest inny, stała piezoelektryczna jest również inna, a styczna stała piezoelektryczna (d15) jest większa niż stała piezoelektryczna grubości (d33) i promieniowa stała piezoelektryczna (d31). Stałe dane piezoelektryczne ceramiki piezoelektrycznej PZT4. Czułość czujnika elektrycznego jest powiązana z czułością trzech elementów, które go tworzą. Ponieważ trzy elementy są połączone szeregowo, czułość czujnika piezoelektrycznego jest mnożona przez czułość trzech elementów. Poniższa analiza jest przeprowadzana odpowiednio w oparciu o statyczną i dynamiczną.

2.1 Analiza statyczna
Analiza statyczna odnosi się do analizy zależności pomiędzy wejściem i wyjściem czujnika w warunkach stanu ustalonego. Zmienna wyjściowa jest jedynie funkcją zmiennej wejściowej, tj. y=f(x), a jej czułość wynosi dy. Czułość czujnika wynika z prostej zależności liniowej pomiędzy S i F, Q i S oraz U i Q w warunkach statycznych, a równanie (1) można zmienić na U0=CijdijA(2), gdzie Cij to mechanika. Równoważny współczynnik podatności sprężystej układu; dij jest równoważną stałą piezoelektryczną Przetwornik ceramiczny z dyskami peizoelektrycznymi

; A jest współczynnikiem wzmocnienia linii pomiarowej; indeks dolny ij oznacza odpowiednio kierunek siły i kierunek odkształcenia. Aby zwiększyć czułość czujnika piezoelektrycznego, skuteczne jest zwiększenie wartości jednego lub większej liczby współczynników. Wśród nich potencjał zwiększenia wartości stałej piezoelektrycznej piezoelektrycznego arkusza ceramicznego jest największy, a stałą piezoelektryczną można zwiększyć, dostosowując skład ceramiki piezoelektrycznej, a piezoelektryczność można poprawić poprzez szeregowo-równoległe połączenie piezoelektrycznych arkuszy ceramicznych. Stałe, takie jak równoległe połączenie piezoelektrycznych arkuszy ceramicznych, podwajają czułość ładunku. Ponadto odpowiedni dobór warunków elektrycznych piezoelektrycznej blachy ceramicznej może również zwiększyć wartość stałej piezoelektrycznej, np. ceramika piezoelektryczna w stanie zwarcia na granicy elektrycznej jest większa niż równoważna stała piezoelektryczna stanu otwartego. W przypadku ceramiki piezoelektrycznej tryb wibracji jest inny, stała piezoelektryczna jest również inna, a styczna stała piezoelektryczna (d15) jest większa niż stała piezoelektryczna grubości (d33) i promieniowa stała piezoelektryczna (d31). Pokazuje sygnał ciągły danych piezoelektrycznych ceramiki piezoelektrycznej PZT-4, który może być również sygnałem impulsowym lub wejściem okresowym. W tym momencie charakterystyka wyjściowa czujnika nie jest już w stanie ustalonym, ale następuje przejściowa charakterystyka przejściowa, to znaczy, że zależność między sygnałem wyjściowym i wejściowym będzie funkcją czasu. Charakterystyki dynamiczne czujnika są zwykle analizowane przy użyciu charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej. W pierwszej kolejności omówiono charakterystykę amplitudowo-częstotliwościową układu mechanicznego czujnika piezoelektrycznego. Układ mechaniczny jest ogólnie klasyfikowany jako układ drugiego rzędu o jednym stopniu swobody. Zależność amplitudy od częstotliwości oblicza się jako X0=sqrt(K/m) jako częstotliwość drgań własnych systemu. Gdzie K jest współczynnikiem sztywności układu, m jest masą układu; N jest względnym współczynnikiem tłumienia. Z równania można wiedzieć, że dla pewnej wartości N, X/X0 mieści się w przedziale [0, 2/(1+4N2, ûH(jX)û jest stałą, a wielkość jest równa 1/X20, co stanowi górną granicę maksymalnej częstotliwości układu. Jest to 2X0/(1+4N2). Odnośnie analizy dynamicznej piezoelektrycznych płyt ceramicznych, dla wygody dyskusji, można w przybliżeniu przyjąć, że Charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowe są stałe w dość szerokim zakresie częstotliwości, a deff jest równoważne stałej piezoelektrycznej. Na koniec omówiono charakterystykę amplitudowo-częstotliwościową linii pomiarowej, na przykładzie wzmacniacza ładunkowego, Ri jest rezystancją wejściową linii pomiarowej, A jest współczynnikiem wzmocnienia wzmacniacza, Rf i Cf są odpowiednio rezystancją sprzężenia zwrotnego i pojemnością sprzężenia zwrotnego, w przypadku, gdy powiększenie jest wystarczająco duże, charakterystyką amplitudowo-częstotliwościową linia pomiarowa jest płaska, obliczając następującą zależność amplituda-częstotliwość, czyli Xm1/RfCf. Podsumowując, gdy częstotliwość zmian siły zewnętrznej mieści się w zakresie . Charakterystyka amplitudy i częstotliwości czujnika piezoelektrycznego jest płaska.

Z powyższego omówienia znana jest czułość piezoelektrycznego czujnika ceramicznego. W warunkach dynamicznych, gdy częstotliwość siły zewnętrznej mieści się w odpowiednim zakresie, czułość piezoelektrycznego czujnika ceramicznego wyraża się jako dynamiczna, a piezoelektryczny arkusz ceramiczny poprawia się poprzez obniżenie częstotliwości własnej układu mechanicznego. Stała piezoelektryczna i sposób zmniejszania pojemności sprzężenia zwrotnego linii pomiarowej mogą poprawić czułość czujnika piezoelektrycznego.

A. Według analizy statycznej, aby poprawić czułość czujnika piezoelektrycznego, można poprawić czułość każdego elementu, to znaczy poprawić współczynnik podatności sprężystej układu mechanicznego, równoważną stałą piezoelektryczną piezoelektrycznego elementu ceramicznego i współczynnik wzmocnienia linii pomiarowej. Wśród nich największy jest potencjał zwiększenia stałej piezoelektrycznej piezoelektrycznej blachy ceramicznej.
B. Z analizy dynamicznej wynika, że ​​czułość czujnika piezoelektrycznego należy rozpatrywać w połączeniu z częstotliwością zmian siły zewnętrznej. W płaskim zakresie charakterystyk amplitudowo-częstotliwościowych czułość czujnika piezoelektrycznego można poprawić poprzez zwiększenie masy układu mechanicznego, zwiększenie stałej piezoelektrycznej piezoelektrycznej blachy ceramicznej oraz zmniejszenie współczynnika sztywności układu mechanicznego i pojemności sprzężenia zwrotnego linii pomiarowej.
C. W połączeniu z analizą statyczną i analizą dynamiczną wiadomo, że zwiększenie stałej piezoelektrycznej piezoelektrycznej blachy ceramicznej może skutecznie poprawić czułość czujnika piezoelektrycznego i jest również jedną z najbardziej praktycznych metod. Dzieje się tak dlatego, że łatwiej jest zwiększyć stałą piezoelektryczną piezoelektrycznego arkusza ceramicznego poprzez dostosowanie składu chemicznego ceramiki piezoelektrycznej. Co więcej, piezoelektryczny arkusz ceramiczny może zwiększyć efektywną stałą piezoelektryczną piezoelektrycznego arkusza ceramicznego, wybierając odpowiedni tryb wibracji i kombinację szeregowo-równoległą.