Дослідження чутливості компонентів п'єзоелектричних керамічних перетворювачів

Завдяки п’єзоелектричному ефекту п’єзоелектрична кераміка може безпосередньо перетворювати неелектрику в електрику, а її п’єзоелектричну константу можна значно покращити, регулюючи склад композиції  або змінюючи комбінацію п’єзокерамічних листів, тим самим ефективно покращуючи її чутливість. Таким чином, перетворювач pi езоелектричної кераміки як чутливих елементів отримує все більше уваги. Коротко представлено основний принцип і склад п’єзоелектричного датчика. Фактори, що впливають на чутливість п'єзоелектричного датчика, детально обговорюються від статичної та динамічної. На цій основі отримано ефективний метод підвищення чутливості.

Датчик — це пристрій із функцією виявлення, який широко використовується в галузях промисловості, сільського господарства, національної оборони та медицини. Він називається 'Electric Five', який виявляє різні неелектричні величини шляхом імітації функцій людських рис обличчя . П'єзокруглий дисковий перетворювач з п'єзоелектричним ефектом є одним із PZTматеріалів для виготовлення датчиків. П’єзоелектричні датчики, з якими знайомі, включають п’єзоелектричні акселерометри, п’єзоелектричні гіроскопи, п’єзоелектричні манометри та гальванометри. З розвитком технологій з’явилося багато нових датчиків, а також було покращено продуктивність існуючих датчиків. Важливим показником сенсора є чутливість. Наступні фактори обговорюють чинники, що впливають на чутливість датчика  як зі статичного, так і з динамічного аспектів.

Основні  принципи та  склад п’єзоелектричних  , ) у напругу (або заряд)  керамічних датчиків — це пристрої, які використовують п’єзоелектричні ефекти п’єзоелектричних керамічних листів для перетворення напруги (або деформації  sа потім посилюють і виводять їх через підсилювач. П'єзоелектричні керамічні листи є ключовими компонентами. З точки зору перетворення сигналу, п’єзоелектричні керамічні листи еквівалентні генератору заряду.

П’єзокерамічний датчик складається з механічної системи, яка передає зовнішню силу на п’єзоелектричний керамічний лист, п’єзоелектричний керамічний лист і вимірювальну схему, яка передає електричний заряд на лічильник. Механічна система являє собою частину кронштейна для монтажу та фіксації п'єзоелектричного керамічного листа. Система знаходиться в прямому контакті із зовнішнім світом, і під впливом зовнішньої сили кронштейн і п’єзоелектричний керамічний лист деформуються разом. П'єзоелектричний керамічний лист генерує вихідний заряд шляхом деформації. Лінія вимірювання підсилює заряд і перетворює його на вихідну напругу.

2 Фактори, що впливають на чутливість п'єзодатчика

Чутливість a П'єзоелектричний дисковий перетворювач  - це відношення малого приросту виходу до малого приросту відповідного входу. Чим більше співвідношення, тим вища чутливість. Чутливість п'єзоелектричного датчика пов'язана з чутливістю трьох частин, які його утворюють. Оскільки три частини з’єднані послідовно, чутливість п’єзоелектричного датчика помножується на чутливість трьох частин. Наступний аналіз виконується зі статичного та динамічного відповідно. 

2.1 Статичний аналіз
Статичний аналіз відноситься до аналізу взаємозв’язку між входом і виходом датчика в умовах сталого стану. Вихідна змінна є лише функцією вхідної змінної, тобто y=f(x), а її чутливість дорівнює dy.

(1) Оскільки існує проста лінійна залежність між S і F, Q і S, а також U і Q за статичних умов, її можна змінити на U0=CijdijA, де Cij — еквівалентний коефіцієнт пружної податливості механічної системи; Dij — еквівалентна п’єзоелектрична константа п’єзоелектричної кераміки; А - коефіцієнт підсилення вимірювальної лінії; нижній індекс ij представляє напрямок сили та напрямок деформації відповідно. Для того, щоб підвищити чутливість п'єзоелектричного датчика, ефективно збільшити значення одного або кількох факторів. Серед них потенціал для збільшення значення п’єзоелектричної сталості п’єзоелектричного керамічного листа є найбільшим, і п’єзоелектричну постійну можна збільшити шляхом коригування складу п’єзоелектричної кераміки, а п’єзоелектричність можна покращити шляхом послідовної паралельної комбінації п’єзоелектричних керамічних листів. Такі константи, як паралельне з’єднання п’єзоелектричних керамічних листів, подвоюють чутливість до заряду. Крім того, належний вибір електричних умов п’єзоелектричного керамічного листа також може збільшити значення п’єзоелектричної постійної, наприклад, п’єзоелектрична кераміка в стані електричного граничного короткого замикання є більшою, ніж еквівалентна п’єзоелектрична стала відкритого стану. Для п’єзоелектричної кераміки режим вібрації інший, п’єзоелектрична константа також різна, а тангенціальна п’єзоелектрична константа (d15) більша, ніж п’єзоелектрична константа товщини (d33) і радіальна п’єзоелектрична константа (d31). Дані п’єзоелектричної постійної п’єзоелектричної кераміки PZT4. Чутливість електричного датчика пов’язана з чутливістю трьох компонентів, які його утворюють. Оскільки три компоненти з’єднані послідовно, чутливість п’єзоелектричного датчика помножується на чутливість трьох компонентів. Наступний аналіз виконується зі статичного та динамічного відповідно.

2.1 Статичний аналіз
Статичний аналіз відноситься до аналізу взаємозв’язку між входом і виходом датчика в умовах сталого стану. Вихідна змінна є лише функцією вхідної змінної, тобто y=f(x), а її чутливість дорівнює dy. Чутливість датчика полягає в тому, що оскільки існує проста лінійна залежність між S і F, Q і S, U і Q за статичних умов, то рівняння (1) можна змінити на U0=CijdijA(2), де Cij — це механічний коефіцієнт еквівалентної пружної податливості системи; dij — еквівалентна п’єзоелектрична постійна пейзоелектричні диски керамічний перетворювач

; А - коефіцієнт підсилення вимірювальної лінії; нижній індекс ij представляє напрямок сили та напрямок деформації відповідно. Для того, щоб підвищити чутливість п'єзоелектричного датчика, ефективно збільшити значення одного або кількох факторів. Серед них потенціал для збільшення значення п’єзоелектричної сталості п’єзоелектричного керамічного листа є найбільшим, і п’єзоелектричну постійну можна збільшити шляхом коригування складу п’єзоелектричної кераміки, а п’єзоелектричність можна покращити шляхом послідовно-паралельної комбінації п’єзоелектричних керамічних листів. Такі константи, як паралельне з’єднання п’єзоелектричних керамічних листів, подвоюють чутливість до заряду. Крім того, належний вибір електричних умов п’єзоелектричного керамічного листа також може збільшити значення п’єзоелектричної постійної, наприклад, п’єзоелектрична кераміка в стані електричного граничного короткого замикання є більшою, ніж еквівалентна п’єзоелектрична стала відкритого стану. Для п’єзоелектричної кераміки режим вібрації інший, п’єзоелектрична константа також різна, а тангенціальна п’єзоелектрична константа (d15) більша, ніж п’єзоелектрична константа товщини (d33) і радіальна п’єзоелектрична константа (d31). Він показує безперервний сигнал п’єзоелектричних постійних даних п’єзоелектричної кераміки PZT-4, який також може бути імпульсним сигналом або періодичним входом. У цей момент вихідні характеристики датчика більше не є сталими, але виникає перехідна характеристика переходу, тобто співвідношення між виходом і входом буде функцією часу. Динамічні характеристики датчика зазвичай аналізуються за допомогою амплітудно-частотних характеристик. Спочатку обговорюються амплітудно-частотні характеристики механічної системи п'єзоелектричного датчика. Механічну систему зазвичай класифікують як систему другого порядку з одним ступенем свободи. Співвідношення амплітуда-частота обчислюється як X0=sqrt(K/m) як власна частота системи. Де K – коефіцієнт жорсткості системи, m – маса системи; N – відносний коефіцієнт затухання. З рівняння можна знати, що для певного значення N X/X0 знаходиться в інтервалі [0, 2/(1+4N2, ûH(jX)û є константою, а розмір дорівнює 1/X20, що є верхньою межею максимальної частоти системи. Це 2X0/(1+4N2). Що стосується динамічного аналізу п’єзоелектричних керамічних листів, для зручності Можна наближено визначити, що його амплітудно-частотні характеристики є постійними в досить широкому діапазоні частот, і, нарешті, обговорюються амплітудно-частотні характеристики лінії вимірювання, Ri - це вхідний опір лінії підсилювача; Rf і Cf - це зворотний зв'язок Опір і ємність зворотного зв'язку, відповідно. У випадку, коли збільшення достатньо велике, амплітудно-частотна характеристика лінії вимірювання є плоскою, тобто Xm1/RfCf. Таким чином, коли частота зміни зовнішньої сили знаходиться в діапазоні.

Чутливість п'єзоелектричного керамічного датчика відома з наведеного вище обговорення. У динамічних умовах, коли частота зовнішньої сили знаходиться в межах діапазону, чутливість п’єзоелектричного керамічного датчика виражається як динамічна, а п’єзоелектричний керамічний лист покращується шляхом зниження власної частоти механічної системи. П'єзоелектрична постійна і метод зменшення ємності зворотного зв'язку вимірювальної лінії можуть підвищити чутливість п'єзоелектричного датчика.

a. Відповідно до статичного аналізу, щоб підвищити чутливість п’єзоелектричного датчика, можна покращити чутливість кожного компонента, тобто покращити коефіцієнт пружної податливості механічної системи, еквівалентну п’єзоелектричну постійну п’єзоелектричної керамічної частини та коефіцієнт посилення вимірювальної лінії. Серед них найбільший потенціал збільшення п’єзоелектричної постійної п’єзоелектричного керамічного листа.
b. Відповідно до динамічного аналізу, чутливість п'єзоелектричного датчика слід розглядати в поєднанні з частотою зміни зовнішньої сили. У плоскому діапазоні амплітудно-частотних характеристик чутливість п’єзоелектричного датчика можна покращити шляхом збільшення маси механічної системи, збільшення п’єзоелектричної постійної п’єзоелектричного керамічного листа та зменшення коефіцієнта жорсткості механічної системи та ємності зворотного зв’язку вимірювальної лінії.
в. У поєднанні зі статичним аналізом і динамічним аналізом відомо, що збільшення п’єзоелектричної постійної п’єзоелектричного керамічного листа може ефективно покращити чутливість п’єзоелектричного датчика, а також є одним із найбільш практичних методів. Це пов’язано з тим, що легше підвищити п’єзоелектричну константу п’єзоелектричного керамічного листа шляхом регулювання хімічного складу п’єзоелектричної кераміки. Крім того, п’єзоелектричний керамічний лист може збільшити ефективну п’єзоелектричну постійну п’єзоелектричного керамічного листа шляхом вибору відповідного режиму вібрації та послідовно-паралельної комбінації.