Forskning om känslighet hos piezoelektriska keramiska omvandlarkomponenter

På grund av den piezoelektriska effekten kan piezoelektrisk keramik direkt omvandla icke-elektricitet till elektricitet, och dess piezoelektriska konstant kan förbättras avsevärt genom att justera sammansättningen av kompositionen  eller ändra kombinationen av piezokeramiska ark, och därigenom effektivt förbättra dess känslighet. och mer uppmärksamhet. Grundprincipen och sammansättningen av den piezoelektriska sensorn introduceras kort. Faktorerna som påverkar den piezoelektriska sensorns känslighet diskuteras i detalj från statisk och dynamisk. På grundval av detta erhålls en effektiv metod för att förbättra känsligheten.

Sensorn är en enhet med detektionsfunktion som används i stor utsträckning inom industri, jordbruk, nationellt försvar och medicin. Det kallas 'Electric Five', som upptäcker olika icke-elektriska mängder genom att simulera funktionerna hos mänskliga ansiktsdrag . piezo-rundskivor med piezoelektrisk effekt är ett av PZT-materialen för att tillverka sensorer. Piezoelektriska sensorer som är bekanta med inkluderar piezoelektriska accelerometrar, piezoelektriska gyron, piezoelektriska tryckmätare och galvanometrar. Med teknikens framsteg har många nya sensorer fötts, och prestandan för befintliga sensorer har också förbättrats. Känslighet är en viktig indikator på sensorn. Följande faktorer diskuterar de faktorer som påverkar sensorns känslighet ur  både statiska och dynamiska aspekter.

Grundläggande  principer och  sammansättning av  piezoelektriska .  keramiska givare  sär enheter som använder piezoelektriska effekter av piezoelektriska keramiska ark för att omvandla spänning (eller töjning) till spänning (eller laddning) och sedan förstärka och mata ut dem genom en förstärkare Piezoelektriska keramiska skivor är nyckelkomponenterna. Ur signalomvandlingens perspektiv är piezoelektriska keramiska skivor likvärdiga med en laddningsgenerator.

Den piezokeramiska sensorn är sammansatt av ett mekaniskt system som överför extern kraft till den piezoelektriska keramiska skivan, en piezoelektrisk keramisk skiva och en mätkrets som överför elektrisk laddning till mätaren. Det mekaniska systemet är en konsoldel för montering och fixering av den piezoelektriska keramiska skivan. Systemet är i direkt kontakt med omvärlden och när det utsätts för en yttre kraft deformeras konsolen och den piezoelektriska keramiska skivan tillsammans. Den piezoelektriska keramiska skivan genererar en laddningsutgång genom deformation. Mätledningen förstärker laddningen och omvandlar den till en spänningsutgång.

2 Faktorer som påverkar den piezoelektriska sensorns känslighet

Känsligheten hos en piezoelektriska skivor omvandlare  är förhållandet mellan ett litet ökning av utgången till en liten ökning av motsvarande ingång. Ju större förhållande, desto högre känslighet. Känsligheten hos den piezoelektriska sensorn är relaterad till känsligheten hos de tre delarna som gör den. Eftersom de tre delarna är seriekopplade multipliceras den piezoelektriska sensorns känslighet med de tre delarnas känslighet. Följande analys utförs från statisk respektive dynamisk. 

2.1 Statisk analys
Statisk analys avser analys av förhållandet mellan sensorns ingång och utgång under stationära förhållanden. Utgångsvariabeln är endast en funktion av ingångsvariabeln, dvs y=f(x), och dess känslighet är dy.

(1) Eftersom det finns ett enkelt linjärt samband mellan S och F, Q och S, och U och Q under statiska förhållanden, kan det ändras till U0=CijdijA, där Cij är den ekvivalenta elastiska eftergivlighetskoefficienten för det mekaniska systemet; Dij är den ekvivalenta piezoelektriska konstanten för den piezoelektriska keramen; A är förstärkningsfaktorn för mätlinjen; underskriften ij representerar kraftens riktning respektive deformationsriktningen. För att öka den piezoelektriska sensorns känslighet är det effektivt att öka värdet på en eller flera faktorer. Bland dem är potentialen för att öka det piezoelektriska konstantvärdet för det piezoelektriska keramiska arket störst, och den piezoelektriska konstanten kan ökas genom att justera formuleringen av den piezoelektriska keramen, och piezoelektriciteten kan förbättras genom den serieparallella kombinationen av de piezoelektriska keramiska arken. Konstanter, såsom parallellkoppling av piezoelektriska keramiska skivor, fördubblar laddningskänsligheten. Dessutom kan korrekt val av de elektriska förhållandena för den piezoelektriska keramiska skivan också öka värdet på den piezoelektriska konstanten, såsom den piezoelektriska keramen i det elektriska gränskortslutningstillståndet är större än den ekvivalenta piezoelektriska konstanten för det öppna tillståndet. För piezoelektrisk keramik är vibrationsläget annorlunda, den piezoelektriska konstanten är också annorlunda, och den tangentiella piezoelektriska konstanten (d15) är större än tjocklekens piezoelektriska konstant (d33) och den radiella piezoelektriska konstanten (d31). Den piezoelektriska konstantdatan för PZT4 piezoelektrisk keramik. Känsligheten hos den elektriska sensorn är relaterad till känsligheten hos de tre komponenterna som gör den. Eftersom de tre komponenterna är seriekopplade, multipliceras den piezoelektriska sensorns känslighet med de tre komponenternas känslighet. Följande analys utförs från statisk respektive dynamisk.

2.1 Statisk analys
Statisk analys avser analys av förhållandet mellan sensorns ingång och utgång under stationära förhållanden. Utgångsvariabeln är endast en funktion av ingångsvariabeln, dvs y=f(x), och dess känslighet är dy. Sensorns känslighet är att eftersom det finns ett enkelt linjärt samband mellan S och F, Q och S, och U och Q under statiska förhållanden, och ekvation (1) kan ändras till U0=CijdijA(2) där Cij är mekaniken. Systemets ekvivalenta elastiska eftergivlighetskoefficient; dij är den ekvivalenta piezoelektriska konstanten för peizoelektriska skivor keramisk givare

; A är förstärkningsfaktorn för mätlinjen; underskriften ij representerar kraftens riktning respektive deformationsriktningen. För att öka den piezoelektriska sensorns känslighet är det effektivt att öka värdet på en eller flera faktorer. Bland dem är potentialen för att öka det piezoelektriska konstantvärdet för det piezoelektriska keramiska arket störst, och den piezoelektriska konstanten kan ökas genom att justera formuleringen av den piezoelektriska keramiken, och piezoelektriciteten kan förbättras genom serieparallell kombination av de piezoelektriska keramiska arken. Konstanter, såsom parallellkoppling av piezoelektriska keramiska skivor, fördubblar laddningskänsligheten. Dessutom kan korrekt val av de elektriska förhållandena för den piezoelektriska keramiska skivan också öka värdet på den piezoelektriska konstanten, såsom den piezoelektriska keramen i det elektriska gränskortslutningstillståndet är större än den ekvivalenta piezoelektriska konstanten för det öppna tillståndet. För piezoelektrisk keramik är vibrationsläget annorlunda, den piezoelektriska konstanten är också annorlunda, och den tangentiella piezoelektriska konstanten (d15) är större än tjocklekens piezoelektriska konstant (d33) och den radiella piezoelektriska konstanten (d31). Den visar den piezoelektriska konstantdatasignalen för PZT-4 piezoelektrisk keramik, som också kan vara pulssignaler eller periodisk ingång. Vid denna tidpunkt är sensorns utgångskarakteristika inte längre stabilt, utan en transient övergångskarakteristik uppstår, det vill säga förhållandet mellan utgången och ingången kommer att vara en funktion av tiden. Sensorns dynamiska egenskaper analyseras vanligtvis med hjälp av amplitud-frekvenskarakteristika. Först diskuteras amplitud-frekvensegenskaperna hos det mekaniska systemet hos den piezoelektriska sensorn. Det mekaniska systemet klassificeras i allmänhet i ett andra ordningens system med en frihetsgrad. Amplitud-frekvenssambandet beräknas som X0=sqrt(K/m) som systemets egenfrekvens. Där K är systemets styvhetskoefficient, m är systemets massa; N är den relativa dämpningskoefficienten. Det kan vara känt från ekvation att för ett visst värde på N, är X/X0 i intervallet [0, 2/(1+4N2, ûH(jX)û är en konstant, och storleken är lika med 1/X20, vilket är den övre gränsen för systemets maximala frekvens. Det är 2X0/(1+4N2). Det är 2X0/(1+4N2). bekvämlighet av diskussion, kan det uppskattas att dess amplitud-frekvensegenskaper är konstanta över ett ganska brett frekvensområde, och deff är ekvivalent i den piezoelektriska konstanten. Slutligen diskuteras mätlinjens amplitud-frekvenskarakteristika återkopplingsresistansen respektive återkopplingskapacitansen I det fall där förstoringen är tillräckligt stor, är amplitud-frekvenskarakteristiken för mätlinjen platt, vilket beräknar följande amplitud-frekvensförhållande, det vill säga Xm1/RfCf. Sammanfattningsvis när variationsfrekvensen för den externa kraften är inom området för pieelect-amplitud.

Känsligheten hos den piezoelektriska keramiska sensorn är känd från diskussionen ovan. Under dynamiska förhållanden, när frekvensen för den yttre kraften är inom intervallet, uttrycks känsligheten hos den piezoelektriska keramiska sensorn som dynamisk, och den piezoelektriska keramiska skivan förbättras genom att sänka det mekaniska systemets naturliga frekvens. Den piezoelektriska konstanten och metoden för att reducera återkopplingskapacitansen för mätlinjen kan förbättra den piezoelektriska sensorns känslighet.

a. Enligt statisk analys, för att förbättra känsligheten hos den piezoelektriska sensorn, kan känsligheten för varje komponent förbättras, det vill säga den elastiska eftergivlighetskoefficienten för det mekaniska systemet, den ekvivalenta piezoelektriska konstanten för det piezoelektriska keramiska stycket och förstärkningsfaktorn för mätlinjen förbättras. Bland dem är potentialen för att öka den piezoelektriska konstanten för det piezoelektriska keramiska arket störst.
b. Enligt den dynamiska analysen bör den piezoelektriska sensorns känslighet beaktas i kombination med förändringsfrekvensen för den yttre kraften. I det platta området av amplitud-frekvensegenskaper kan känsligheten hos den piezoelektriska sensorn förbättras genom att öka det mekaniska systemets massa, öka den piezoelektriska konstanten för det piezoelektriska keramiska arket och minska det mekaniska systemets styvhetskoefficient och mätlinjens återkopplingskapacitans.
c. I kombination med statisk analys och dynamisk analys är det känt att ökning av den piezoelektriska konstanten för det piezoelektriska keramiska arket effektivt kan förbättra den piezoelektriska sensorns känslighet, och är också en av de mest praktiska metoderna. Detta beror på att det är lättare att öka den piezoelektriska konstanten för det piezoelektriska keramiska arket genom att justera den kemiska sammansättningen av den piezoelektriska keramen. Dessutom kan det piezoelektriska keramiska arket öka den effektiva piezoelektriska konstanten för det piezoelektriska keramiska arket genom att välja ett lämpligt vibrationsläge och en serie-parallell kombination.