Jaki jest materiał i struktura piezoelektryczna?

Materiał piezoelektryczny to specjalny materiał dielektryczny z efektem piezoelektrycznym i odwrotnym efektem piezoelektrycznym. Efekt piezoelektryczny jest cechą charakterystyczną niektórych kryształów piezoelektrycznych odkrytych przez francuskich braci P. Curie i J. Curie w 1880 roku. Kiedy siła piezoelektryczna wywiera siłę mechaniczną (lub ciśnienie zwalniające) w kierunku piezoelektrycznym, korpus piezoelektryczny wygeneruje zjawisko ładowania i rozładowania. Zjawisko to nazywane jest dodatnim efektem piezoelektrycznym. Pole elektryczne o takim samym (lub przeciwnym) kierunku polaryzacji powoduje dwa efekty: odwrotny efekt piezoelektryczny i efekt elektrostrykcyjny. Odwrotny efekt piezoelektryczny, to znaczy dielektryk jest odkształcany mechanicznie pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego, a wielkość odkształcenia jest proporcjonalna do wielkości przyłożonego pola elektrycznego, a kierunek jest powiązany z kierunkiem pola elektrycznego. Efekt elektrostrykcyjny, czyli pole dielektryczne Ceramika piezoelektryczna z materiału Pzt wytwarza odkształcenie w wyniku indukowanej polaryzacji, a wielkość odkształcenia jest proporcjonalna do kwadratu pola elektrycznego, które jest niezależne od kierunku pola elektrycznego. Odwrotny efekt piezoelektryczny i efekt elektrostrykcyjny są zasadniczo wynikiem polaryzacji kryształu dielektrycznego pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego, a sieć jest zniekształcona, a makroskopowo pojawia się jako odkształcenie mechaniczne.

Ceramika piezoelektryczna to ceramika piezoelektryczna otrzymywana przez zmieszanie składników, spiekanie w wysokiej temperaturze i posiadanie zespołu piezoelektrycznego po reakcji w fazie stałej pomiędzy cząstkami. Materiał PZT może być stosowany zarówno jako element czujnikowy, jak i element napędowy, a także może być osadzany z innymi materiałami, tworząc materiał kompozytowy. Dlatego ma szeroki zakres zastosowań, takich jak obsługa statków powietrznych na skrzydłach samolotów, oraz w układach wibracyjnych. Aktywna kontrola wibracji i hałasu w celu monitorowania stanu konstrukcji sprzętu.

2 Konstrukcja PZT

Zgodnie ze współczesną teorią dynamiki konstrukcji, gdy w sprzęcie i konstrukcjach pojawią się uszkodzenia i defekty, takie jak pęknięcia, luźne śruby itp., zmieni się jej sztywność i charakterystyka impedancji mechanicznej, co również doprowadzi do zmian w częstotliwości drgań własnych i trybie konstrukcji. Dlatego stopień uszkodzenia można określić ilościowo na podstawie zmiany impedancji mechanicznej. Jednakże mechaniczna impedancja dynamiczna zmienia się wraz z częstotliwością i jest trudna do zmierzenia przy użyciu konwencjonalnych metod. Wykorzystując właściwości samonapędzające i samoczujące elementu piezoelektrycznego, materiału PZT okrągłe dyski piezoelektryczne mogą jednocześnie działać jako element napędowy i element czujnikowy, pobudzający konstrukcję w celu uzyskania dynamicznej odpowiedzi konstrukcji, ustanawiając w ten sposób pomost między charakterystyką mechaniczną a informacjami elektrycznymi, czyli informacjami o mechanicznej impedancji dynamicznej. Zmiany można odzwierciedlić za pomocą prostych zmierzonych informacji elektrycznych. Po przyłożeniu określonego napięcia zewnętrznego do powierzchni piezoelektrycznego arkusza ceramicznego na powierzchni belki generowana jest boczna siła powierzchniowa. Te siły powierzchniowe spowodują, że belka będzie wytwarzać różne wibracje (gdy górny i dolny PZT zostaną poddane działaniu tego samego napięcia, belka będzie wibrować wzdłużnie; gdy zostanie przyłożone napięcie wsteczne, belka zostanie poddana drganiom zginającym). Z kolei wibracje powodują odkształcenie wiązki, a charakterystyka odkształcenia może zostać odzwierciedlona w postaci sygnałów elektrycznych poprzez charakterystykę wykrywania piezoelektrycznych arkuszy ceramicznych. Dlatego charakterystyka dopuszczalności dynamicznej piezoelektrycznych arkuszy ceramicznych naklejonych na konstrukcję może odzwierciedlać stan uszkodzenia konstrukcji. Na podstawie efektu sprzężenia piezoelektrycznego i interakcji PZT z konstrukcją można uzyskać impedancję zależną od częstotliwości (odwrotność impedancji). Gdy parametry i wydajność PZT pozostają stałe, impedancja strukturalna jednoznacznie określa wartość drugiego członu. Jakakolwiek zmiana piezoelektrycznego sodu odpowiada uszkodzeniom i defektom strukturalnym, zatem uszkodzenia strukturalne można zidentyfikować na podstawie wartości piezoelektrycznego sodu.

Ze względu na efekt piezoelektryczny i odwrotny efekt piezoelektryczny elementu piezoelektrycznego, element piezoelektryczny ma podwójną funkcję napędzania i wykrywania, a funkcja ta może realizować monitorowanie stanu konstrukcji w czasie rzeczywistym i on-line.

Część materiału PZT jest połączona przewodem ze źródłem zasilania wytwarzającym sygnał wzbudzenia, a sygnał wzbudzenia (napięcie lub ładunek) jest doprowadzany do materiału PZT poprzez źródło zasilania napięciem lub ładunkiem, ponieważ materiał PZT ma odwrotny efekt piezoelektryczny, to znaczy odkształcenie następuje pod działaniem pola elektrycznego w wyniku osadzania się (lub przylegania) materiału PZT do materiału podstawowego, w związku z czym jego własne odkształcenie zostanie przeniesione na materiał podstawowy, a materiał bazowy zostanie zdeformowany lub przesunięty razem. W tym momencie PZT jest odpowiednikiem sterownika, a odkształcenie generowane jest poprzez odbiór sygnału wzbudzenia. Lub ćwicz, aby prowadzić materiał podstawowy. Jednocześnie część materiału PZT jest umieszczana na materiale podstawowym i nie jest podłączona do źródła zasilania, a to odkształcenie lub ruch jest przenoszony na materiał PZT, gdy materiał podstawowy ulega odkształceniu lub przesunięciu. Ze względu na efekt piezoelektryczny materiału PZT, wewnątrz ładunku wytwarzany jest ładunek, którego wielkość zmienia się w zależności od wielkości odkształcenia lub ruchu. W tym momencie materiał PZT jest odpowiednikiem czujnika. Następnie sygnał wyjściowy czujnika PZT jest mierzony i zbierany przez urządzenie pomiarowe, a odkształcenie lub ruch materiału podstawowego może zostać odzwierciedlone w czasie rzeczywistym i online, realizując w ten sposób monitorowanie stanu konstrukcji w czasie rzeczywistym i online.