П'єзоефект і п'єзоелектричний акустичний датчик

Сигнали акустичної емісії, що поширюються в твердому середовищі, містять характерну інформацію джерел акустичної емісії. Щоб використовувати цю інформацію для відображення характеристик матеріалу або розвитку дефектів, необхідно отримувати такі сигнали акустичної емісії на твердих поверхнях. Сигнали акустичного випромінювання - це перехідні випадкові хвильові сигнали з мінімальним вертикальним зміщенням приблизно 10-7,10-14 метрів. Частота розподілена в діапазоні частот від інфразвуку до ультразвуку (від кількох герц до десятків мегагерц). Це вимагає, щоб прилади виявлення акустичної емісії мали високу швидкість відгуку, високу чутливість, високе посилення, широкий динамічний діапазон, потужну здатність відновлення блокування та визначення частоти п’єзокерамічний дисковий кристал . можна вибрати У фактичному процесі виявлення акустичної емісії виявлені сигнали часто є складними сигналами, які зазнали багаторазових відображень і перетворень форми хвилі. Сигнали акустичної емісії сприймаються датчиками і перетворюються в електричні сигнали. Датчики дають криву чутливості до частоти відповідно до певного методу калібрування. Виходячи з цього, різні типи датчиків з різною частотою та чутливістю можуть бути обрані відповідно до мети та середовища виявлення.

Ультразвуковий датчик створено на основі принципу, згідно з яким фізичні характеристики певних речовин (таких як напівпровідники, п’єзокераміка, п’єзоелектричні кристали, феромагнітні тіла та надпровідники) змінюються залежно від зовнішнього середовища, що підлягає вимірюванню. Він використовує багато ефектів (включно з фізичними ефектами, хімічними ефектами та біологічними ефектами) і фізичних явищ, таких як використання п’єзостійкості, чутливості до вологи, чутливості до тепла, чутливості до світла, магнітної чутливості та чутливості до газу матеріалів. Зміщення, магнітне поле, газ вимірюється і перетворюється в електрику. Відкриття та використання нових принципів, нових ефектів, а також розробка та застосування нових фізичних матеріалів призвели до розробки фізичних сенсорів. Тому необхідно розуміти різні ефекти, на яких засновані датчики, а також розуміти, розробляти та застосовувати їх. У процесі детектування акустичної емісії зазвичай використовується п'єзоелектричний ефект.

П'єзоелектричний ефект є оборотним, що є загальним терміном для позитивних і негативних п'єзоелектричних ефектів. Позитивний п'єзоефект прийнято називати п'єзоефектом.

При деяких діелектричних матеріалах о Pzt матеріал п'єзоелектрична кераміка деформується зовнішньою силою в певному напрямку, на певних поверхнях діелектричного матеріалу генеруються позитивні та негативні заряди різних знаків. Після усунення зовнішньої сили вони повертаються в незаряджений стан. Це явище називається позитивним п'єзоелектричним ефектом. Заряд, створений діелектричною силою, пропорційний величині зовнішньої сили. Коефіцієнт пропорційності - це п'єзоелектрична стала, яка пов'язана з напрямком механічної деформації. Він постійний для певного напрямку певного матеріалу. Полярність заряду, створюваного діелектричною силою, залежить від форми деформації (стиснення або подовження). Матеріали зі значними п'єзоелектричними ефектами називаються п'єзоелектричними матеріалами. Зазвичай використовуються монокристали, такі як кристали кварцу, ніобат літію LiNbO3, галлат літію LiGaO3, германат вісмуту Bi12GeO20, і полікристали, такі як титанат барію після поляризаційної обробки. Електрична п'єзокераміка, п'єзоелектрична кераміка серії титанат цирконат свинцю PZT. До нових п’єзоелектричних матеріалів належать полімерні п’єзоелектричні плівки (такі як полівініліденфторид PVDF) і п’єзоелектричні напівпровідники (такі як ZnO, CdS). П’єзоелектричний ефект монокристалічних матеріалів зумовлений деформацією внутрішньої меридіанної структури цих монокристалів під впливом зовнішніх навантажень, що спричиняє руйнування початкового макроскопічно нейтрального стану та призводить до поляризації. П'єзоелектричні керамічні та полімерні п'єзоелектричні плівки після поляризації (прикладення сильного електричного поля при певній температурі) є результатом поляризації електричних доменів і електродних пар.

П’єзоелектричні датчики виготовлені з використанням позитивного п’єзоелектричного ефекту, який перетворює неелектричну енергію, таку як тиск, вібрація, прискорення тощо. Електрична енергія використовується для точних вимірювань.

Коли електричне поле прикладено в напрямку поляризації діелектрика Компоненти п’єзокерамічного кільця Pzt8 , деякі діелектрики спричинятимуть механічну деформацію або механічну напругу в певному напрямку. Коли зовнішнє електричне поле припиняється, деформація або напруга також зникають. Це фізичне явище називається зворотним п'єзоефектом. Використовуючи зворотний п’єзоелектричний ефект, можна створювати ультразвукові генератори, п’єзоелектричні динаміки, п’єзокристалічні осцилятори з високою стабільністю частоти (наприклад, кварцові та годинники з денною та нічною похибками). Для генерації сигналу акустичної емісії можна використовувати зворотний п'єзоефект. Оскільки п’єзоелектричні елементи перетворення мають дві важливі властивості: самогенерацію та оборотність, а також малий розмір, малу вагу, просту структуру, надійну роботу, високу власну частоту, високу чутливість і високе співвідношення сигнал/шум, застосування п’єзоелектричних датчиків швидко розвивається. Різноманітні генератори напруги, такі як п’єзоелектричні джерела живлення, газові плити та пристрої автозапалювання для автомобільних двигунів, розроблені з використанням позитивного п’єзоелектричного ефекту в технології випробувань, п’єзоелектричний перетворювальний елемент є типовим елементом, що чутливий до сили, який може вимірювати кінцеву змінну силу. Ті фізичні величини, які утворюють силу, такі як тиск, прискорення, механічний удар і вібрація, отже, застосування п'єзоелектричні датчики можна побачити в широкому діапазоні галузей, таких як акустика, механіка, медицина та космонавтика. Більш важливим є те, що згідно з результатами біоп’єзоелектрики визнано, що живі істоти мають п’єзоелектрику, а різні органи чуття людини насправді є біоп’єзоелектричними датчиками. Якщо перелом лікувати відповідно до позитивного п'єзоелектричного ефекту, загоєння може бути прискорене; зворотний п'єзоелектричний ефект можна використовувати для живлення кісток для виправлення деформованих кісток та інших функцій. Основним недоліком п'єзоелектричних елементів перетворення є те, що вони не мають статичного вихідного сигналу, що вимагає високого електричного вихідного опору, а також потребує кабелів з низькою ємністю та низьким рівнем шуму. Робоча температура багатьох п'єзоелектричних матеріалів становить лише близько 250 °C.