Efect piezo și senzor acustic piezoelectric

Semnalele de emisie acustică care se propagă în mediile solide conțin informații caracteristice surselor de emisie acustică. Pentru a utiliza aceste informații pentru a reflecta caracteristicile materialelor sau dezvoltarea defectelor, este necesar să primiți astfel de semnale de emisie acustică pe suprafețe solide. Semnalele de emisie acustică sunt semnale de unde aleatorii tranzitorii cu o deplasare verticală minimă de aproximativ 10-7,10-14 metri. Frecvența este distribuită în intervalul de frecvență infrasunete la ultrasunete (de la câțiva herți la zeci de megaherți). Acest lucru necesită ca instrumentele de detectare a emisiilor acustice să aibă viteză mare de răspuns, sensibilitate ridicată, câștig mare, gamă dinamică largă, capacitate puternică de recuperare a blocării și detectarea frecvenței un disc de cristal piezo-ceramic . poate fi selectat În procesul real de detectare a emisiilor acustice, semnalele detectate sunt adesea semnale complexe care au suferit reflexii multiple și transformări ale formei de undă. Semnalele de emisie acustică sunt recepționate de senzori și transformate în semnale electrice. Senzorii oferă o curbă frecvență-sensibilitate conform unei anumite metode de calibrare. Pe baza acesteia, pot fi selectate diferite tipuri de senzori cu frecvențe și sensibilități diferite în funcție de scopul și mediul de detectare.

Senzorul cu ultrasunete este realizat pe baza principiului că caracteristicile fizice ale anumitor substanțe (cum ar fi semiconductori, ceramica piezoelectrică, cristale piezoelectrice, corpuri feromagnetice și supraconductori) se modifică odată cu exteriorul care trebuie măsurat. Utilizează multe efecte (inclusiv efecte fizice, efecte chimice și efecte biologice) și fenomene fizice, cum ar fi utilizarea rezistenței piezo, sensibilitatea la umiditate, sensibilitatea la căldură, sensibilitatea la lumină, sensibilitatea magnetică și sensibilitatea la gaz a materialelor. Deplasarea, câmpul magnetic, gazul este măsurat și transformat în electricitate. Descoperirea și utilizarea de noi principii, noi efecte și dezvoltarea și aplicarea de noi materiale fizice au condus la dezvoltarea senzorilor fizici. Prin urmare, este necesar să înțelegem diferitele efecte pe care se bazează senzorii și să le înțelegem, să le dezvoltați și să le aplicați. În procesul de detectare a emisiilor acustice se utilizează de obicei efectul piezoelectric.

Efectul piezoelectric este reversibil, care este un termen general pentru efectele piezoelectrice pozitive și negative. Se obișnuiește să se numească efectul piezoelectric pozitiv efect piezoelectric.

Când anumite materiale dielectrice ale Materialul Pzt ceramic piezoelectric sunt deformate de o forță externă într-o anumită direcție, pe anumite suprafețe ale materialului dielectric sunt generate sarcini pozitive și negative de diferite semne. După ce forța externă este îndepărtată, ele revin la o stare neîncărcată. Acest fenomen se numește efect piezoelectric pozitiv. Sarcina generată de o forță dielectrică este proporțională cu mărimea forței externe. Coeficientul de proporționalitate este o constantă piezoelectrică, care este legată de direcția de deformare mecanică. Este constantă pentru o anumită direcție a unui anumit material. Polaritatea sarcinii generate de o forță dielectrică depinde de forma de deformare (compresie sau alungire). Materialele cu efecte piezoelectrice semnificative se numesc materiale piezoelectrice. Utilizate în mod obișnuit sunt cristalele simple, cum ar fi cristalele de cuarț, niobat de litiu LiNbO3, galatul de litiu LiGaO3, germanatul de bismut Bi12GeO20 și policristale precum titanatul de bariu după tratamentul de polarizare. Ceramica piezoelectrică, zirconat de plumb serie ceramică piezoelectrică PZT. Noile materiale piezoelectrice includ filme piezoelectrice polimerice (cum ar fi fluorură de poliviniliden PVDF) și semiconductori piezoelectrici (cum ar fi ZnO, CdS). Efectul piezoelectric al materialelor monocristal se datorează deformării structurii meridianelor interne a acestor monocristale atunci când sunt supuse la stres extern, ceea ce provoacă distrugerea stării macroscopice neutre originale și rezultând polarizare. Ceramica piezoelectrică și filmele piezoelectrice polimerice după polarizare (un câmp electric puternic este aplicat la o anumită temperatură) este rezultatul polarizării domeniilor electrice și perechilor de electrozi.

Senzorii piezoelectrici sunt realizați folosind efectul piezoelectric pozitiv de conversie a energiei non-electrice, cum ar fi presiunea, vibrația, accelerația etc. Energia electrică este utilizată pentru măsurarea precisă.

Când un câmp electric este aplicat în direcția de polarizare a dielectricului Componentele inelare piezoceramice Pzt8 , unele dielectrice vor produce deformare mecanică sau stres mecanic într-o anumită direcție. Când câmpul electric extern este îndepărtat, deformația sau stresul dispar și ele. Acest fenomen fizic se numește efect piezoelectric invers. Utilizarea efectului piezoelectric invers poate fi transformată în generatoare de ultrasunete, difuzoare piezoelectrice, oscilatoare piezo-cristale cu o frecvență foarte stabilă (cum ar fi ceasurile cu quartz și ceasurile cu eroare de zi și de noapte). Efectul piezoelectric invers poate fi utilizat pentru generarea semnalului de emisie acustică. Deoarece elementele de conversie piezoelectrice au două proprietăți importante de autogenerare și reversibile, plus dimensiunea sa mică, greutatea ușoară, structura simplă, funcționarea fiabilă, frecvența naturală ridicată, sensibilitatea ridicată și raportul semnal-zgomot ridicat, aplicarea senzorilor piezoelectrici se dezvoltă rapid. O varietate de generatoare de tensiune, cum ar fi surse de alimentare piezoelectrice, sobe cu gaz și dispozitive de auto-aprindere pentru motoarele de automobile dezvoltate folosind efectul piezoelectric pozitiv în tehnologia de testare, elementul de conversie piezoelectric este un element tipic de detectare a forței, care poate măsura variația finală. din domenii precum acustica, mecanică, medicină și aerospațială. Ceea ce este mai semnificativ este că, conform rezultatelor bio-piezoelectricilor, se recunoaște că lucrurile vii au piezoelectricitate, iar diferitele organe de simț umane sunt de fapt senzori bio-piezoelectrici. Dacă fractura este tratată în funcție de efectul piezoelectric pozitiv, vindecarea poate fi accelerată; efectul piezoelectric invers poate fi folosit pentru a alimenta oasele pentru a corecta oasele deformate și alte funcții. Principalul dezavantaj al elementelor de conversie piezoelectrică este că nu au ieșire statică, care necesită impedanță de ieșire electrică mare și necesită cabluri cu capacitate redusă și zgomot redus. Temperatura de funcționare a multor materiale piezoelectrice este de numai aproximativ 250 ° C.