Investigación sobre la sensibilidad de los componentes de transductores de cerámica piezoeléctricos.

Debido al efecto piezoeléctrico, las cerámicas piezoeléctricas pueden convertir directamente la no electricidad en la electricidad, y su constante piezoeléctrica puede mejorarse en gran medida ajustando la composición de la composicióno cambiando la combinación de hojas piezocerámicas, lo que mejora efectivamente su sensibilidad. Por lo tanto, Transducer PiLas cerámicas ezoeléctricas como elementos sensibles están recibiendo más y más atención. El principio básico y la composición del sensor piezoeléctrico se introducen brevemente. Los factores que afectan la sensibilidad del sensor piezoeléctrico se analizan en detalle de estática y dinámica. Sobre esta base, se obtiene un método eficaz para mejorar la sensibilidad.

El sensor es un dispositivo con la función de detección ampliamente utilizada en los campos de la industria, la agricultura, la defensa nacional y la medicina. Se llama \"Electric Five \", que detecta varias cantidades no eléctricas simulando las funciones de las características faciales humanas.. El transductor de disco redondo Piezo con efecto piezoeléctrico es uno de los PZTMateriales para hacer sensores. Los sensores piezoeléctricos que están familiarizados con los acelerómetros piezoeléctricos, los giros piezoeléctricos, los manómetros de presión piezoeléctrica y los galvanómetros. Con el avance de la tecnología, también se han nacido muchos sensores nuevos, y también se ha mejorado el rendimiento de los sensores existentes. La sensibilidad es un indicador importante del sensor. Los siguientes factores discuten los factores que afectan la sensibilidad del sensor deAspectos tanto estáticos como dinámicos.

BásicopRinciples ycOPOSICIÓN DEpiezoeléctricocerámicosLos asegurados son dispositivos que usan efectos piezoeléctricos de las hojas de cerámica piezoeléctricas para convertir la tensión (o la tensión) en el voltaje (o cargar) y luego amplificarlas y emitirlas a través de un amplificador. Las hojas de cerámica piezoeléctricas son los componentes clave. Desde la perspectiva de la conversión de la señal, las hojas de cerámica piezoeléctricas son equivalentes a un generador de carga.

La piezEl sensor ocerámico está compuesto por un sistema mecánico que transmite fuerza externa a la lámina de cerámica piezoeléctrica, un piezo.Hoja de cerámica eléctrica, y un circuito de medición que transfiere carga eléctrica al medidor. El sistema mecánico es una parte del soporte para montar y fijar la hoja de cerámica piezoeléctrica. El sistema está en contacto directo con el mundo exterior, y cuando se somete a una fuerza externa, el soporte y la lámina de cerámica piezoeléctrica se deforman juntos. La lámina de cerámica piezoeléctrica genera una producción de carga por deformación. La línea de medición amplifica la carga y la transforma en una salida de voltaje.

2Factores de afectar la sensibilidad del sensor piezoeléctrico.

La sensibilidad de unTransductor de discos piezoeléctricoses la proporción de un pequeño incremento de la salida a un pequeño incremento de la entrada correspondiente. Cuanto mayor sea la proporción, mayor será la sensibilidad. La sensibilidad del sensor piezoeléctrico está relacionado con la sensibilidad de las tres partes que lo hacen. Dado que las tres partes están conectadas en serie, la sensibilidad del sensor piezoeléctrico se multiplica por la sensibilidad de las tres partes. El siguiente análisis se realiza a partir de estático y dinámico, respectivamente.

2.1 Análisis estático
El análisis estático se refiere al análisis de la relación entre la entrada y la salida del sensor en condiciones de estado estable. La variable de salida es solo una función de la variable de entrada, es decir, y = f (x), y su sensibilidad es DY.

(1) Dado que existe una simple relación lineal entre S y F, Q y S, y U y Q en condiciones estáticas, se puede cambiar a U0 = CIJDIJA, donde CIJ es el coeficiente de cumplimiento elástico equivalente del sistema mecánico; DIJ es la constante piezoeléctrica equivalente de la cerámica piezoeléctrica; A es el factor de amplificación de la línea de medición; El subíndice IJ representa la dirección de la fuerza y ​​la dirección de la deformación, respectivamente. Para aumentar la sensibilidad del sensor piezoeléctrico, es efectivo aumentar el valor de uno o más factores. Entre ellos, el potencial de aumentar el valor constante piezoeléctrico de la lámina de cerámica piezoeléctrica es mayor, y la constante piezoeléctrica se puede aumentar ajustando la formulación de la cerámica piezoeléctrica, y la piezoelectricidad puede ser mejorada por la combinación de la SerieParalle de las hojas de cerámica piezoeléctrica. Constantes, como la conexión paralela de hojas de cerámica piezoeléctrica, doble la sensibilidad de la carga. Además, la selección adecuada de las condiciones eléctricas de la lámina de cerámica piezoeléctrica también puede aumentar el valor de la constante piezoeléctrica, tal como la cerámica piezoeléctrica en el estado de cortocircuito de límite eléctrico es mayor que la constante piezoeléctrica equivalente del estado abierto. Para las cerámicas piezoeléctricas, el modo de vibración es diferente, la constante piezoeléctrica también es diferente, y la constante piezoeléctrica tangencial (D15) es mayor que la constante piezoeléctrica del grosor (D33) y la constante piezoeléctrica radial (D31). Los datos constantes piezoeléctricos de la cerámica piezoeléctrica PZT4. La sensibilidad del sensor eléctrico está relacionado con la sensibilidad de los tres componentes que lo hacen. Dado que los tres componentes están conectados en serie, la sensibilidad del sensor piezoeléctrico se multiplica por la sensibilidad de los tres componentes. El siguiente análisis se realiza a partir de estático y dinámico, respectivamente.

2.1 Análisis estático
El análisis estático se refiere al análisis de la relación entre la entrada y la salida del sensor en condiciones de estado estable. La variable de salida es solo una función de la variable de entrada, es decir, y = f (x), y su sensibilidad es DY. La sensibilidad del sensor es que, debido a que existe una simple relación lineal entre S y F, Q y S, y U y Q en condiciones estáticas, y la ecuación (1) se puede cambiar a U0 = CIJDIJA (2) donde CIJ es el mecánicos el coeficiente de cumplimiento elástico equivalente del sistema; DIJ es la constante piezoeléctrica equivalente de laTransductor de cerámica de discos PEIZOELECTRICOS

; A es el factor de amplificación de la línea de medición; El subíndice IJ representa la dirección de la fuerza y ​​la dirección de la deformación, respectivamente. Para aumentar la sensibilidad del sensor piezoeléctrico, es efectivo aumentar el valor de uno o más factores. Entre ellos, el potencial de aumentar el valor constante piezoeléctrico de la lámina cerámica piezoeléctrica es mayor, y la constante piezoeléctrica se puede aumentar ajustando la formulación de la cerámica piezoeléctrica, y la piezoelectricidad puede mejorarse mediante la combinación paralela de la serie del piezoeléctrico. Hojas de cerámica. Constantes, como la conexión paralela de hojas de cerámica piezoeléctrica, doble la sensibilidad de la carga. Además, la selección adecuada de las condiciones eléctricas de la lámina de cerámica piezoeléctrica también puede aumentar el valor de la constante piezoeléctrica, tal como la cerámica piezoeléctrica en el estado de cortocircuito de límite eléctrico es mayor que la constante piezoeléctrica equivalente del estado abierto. Para las cerámicas piezoeléctricas, el modo de vibración es diferente, la constante piezoeléctrica también es diferente, y la constante piezoeléctrica tangencial (D15) es mayor que la constante piezoeléctrica del grosor (D33) y la constante piezoeléctrica radial (D31). Muestra la señal continua de datos de la constante piezoeléctrica de las cerámicas piezoeléctricas PZT-4, que también pueden ser señales de pulso o una entrada periódica. En este punto, las características de salida del sensor ya no son un estado estable, pero se produce una característica de transición transitoria, es decir, la relación entre la salida y la entrada será una función del tiempo. Las características dinámicas del sensor generalmente se analizan utilizando características de frecuencia de amplitud. En primer lugar, se discuten las características de frecuencia de amplitud del sistema mecánico del sensor piezoeléctrico. El sistema mecánico generalmente se clasifica en un sistema de segundo orden de grado de libertad. La relación de frecuencia de amplitud se calcula como X0 = SQRT (K / M) como la frecuencia natural del sistema. Donde k es el coeficiente de rigidez del sistema, M es la masa del sistema; N es el coeficiente de amortiguación relativa. Puede ser conocido por la ecuación que durante un cierto valor de N, X / X0 está en el intervalo [0, 2 / (1 + 4N2, ûh (JX) û es una constante, y el tamaño es igual a 1 / X20, Cuál es el límite superior de la frecuencia máxima del sistema. Es 2x0 / (1 + 4N2). Con respecto al análisis dinámico de hojas de cerámica piezoeléctricas, para la conveniencia de la discusión, se puede aproximar que sus características de frecuencia de amplitud son constantes. sobre un rango de frecuencia bastante amplio, y DEFF es equivalente en la constante piezoeléctrica. Finalmente, se discuten las características de frecuencia de la amplitud de la línea de medición. Tomando el amplificador de carga como ejemplo, RI es la resistencia de entrada de la línea de medición; A es El factor de amplificación del amplificador; RF y CF son la resistencia de retroalimentación y la capacitancia de retroalimentación, respectivamente. En el caso de que la ampliación sea lo suficientemente grande, la característica de frecuencia de amplitud de la línea de medición es plana que calcula la siguiente frecuencia de amplitud. Lación, es decir, XM1 / RFCF. En resumen, cuando la frecuencia de variación de la fuerza externa está dentro del rango. La característica de frecuencia de amplitud del sensor piezoeléctrico es plano.

La sensibilidad del sensor cerámico piezoeléctrico se conoce a partir de la discusión anterior. En condiciones dinámicas, cuando la frecuencia de la fuerza externa está dentro del rango, la sensibilidad del sensor cerámico piezoeléctrico se expresa como dinámico, y se mejora la lámina de cerámica piezoeléctrica al reducir la frecuencia natural del sistema mecánico. La constante piezoeléctrica y el método para reducir la capacitancia de retroalimentación de la línea de medición puede mejorar la sensibilidad del sensor piezoeléctrico.

una. De acuerdo con el análisis estático, para mejorar la sensibilidad del sensor piezoeléctrico, la sensibilidad de cada componente puede mejorarse, es decir, el coeficiente de cumplimiento elástico del sistema mecánico, la constante piezoeléctrica equivalente de la pieza cerámica piezoeléctrica, y el factor de amplificación de Se mejora la línea de medición. Entre ellos, el potencial para aumentar la constante piezoeléctrico de la hoja de cerámica piezoeléctrica es la más grande.
B. De acuerdo con el análisis dinámico, la sensibilidad del sensor piezoeléctrico debe considerarse en combinación con la frecuencia del cambio de la fuerza externa. En la gama plana de características de frecuencia de amplitud, la sensibilidad del sensor piezoeléctrico se puede mejorar al aumentar la masa del sistema mecánico, lo que aumenta la constante piezoeléctrica de la lámina de cerámica piezoeléctrica y reduciendo el coeficiente de rigidez del sistema mecánico y la retroalimentación. Capacitancia de la línea de medición.
C. Combinado con análisis estático y análisis dinámico, se sabe que aumentar la constante piezoeléctrica de la lámina cerámica piezoeléctrica puede mejorar efectivamente la sensibilidad del sensor piezoeléctrico, y también es uno de los métodos más prácticos. Esto se debe a que es más fácil aumentar la constante piezoeléctrica de la lámina de cerámica piezoeléctrica ajustando la composición química de la cerámica piezoeléctrica. Además, la hoja de cerámica piezoeléctrica puede aumentar la constante piezoeléctrica efectiva de la hoja de cerámica piezoeléctrica seleccionando un modo de vibración adecuado y una combinación de series paralelas.