Пьезоэлектрические материалы, из которых пьезокерамические материалы представляют собой подгруппу, являются особенно полезными, поскольку они могут генерировать электрический заряд от физической силы и / или механической деформации. Одна область, в которой этот механизм может быть использован, заключается в выборе количества датчиков. В этой статье мы рассмотрим, как пьезокерамические материалы могут использоваться в сенсорных приложениях и как эти датчики работают.
Пьезоэлектрические материалы
Пьезоэлектрические материалы представляют собой класс материалов, которые проявляют «пьезоэлектрический эффект» и могут существовать во многих формах; при условии, что они имеют основную правильную кристаллическую решетку. Поэтому неорганические материалы чаще проявляют пьезоэлектрические свойства (хотя есть некоторые исключения).
Пьезоэлектрический эффект - это генерация электрического заряда, когда материал подвергается воздействию физической силы. Во многих случаях эта сила представляет собой деформацию или сжатие или индуцированное напряжение / деформацию. Существует также обратный пьезоэлектрический эффект, который по существу противоположен пьезоэлектрическому эффекту; материал либо расширяется, либо сжимается под приложенным напряжением.
Чтобы кристаллический материал мог проявлять пьезоэлектрический эффект, его кристаллическая решетка должна быть нецентросимметричной и содержать ионы с большим эффективным зарядом. Ионы с меньшим эффективным зарядом могут генерировать пьезоэлектрический ток, но он часто намного меньше.
Наличие физической силы вызывает изменение структуры внутренней кристаллической решетки материала, и именно этот механизм приводит к генерированию электрического заряда. В нормальной кристаллической решетке ионы хорошо упорядочены (кроме дефектов атомного уровня, которые всегда присутствуют в той или иной форме). Именно искажение этой упорядоченной решетки создает пьезоэлектрический эффект, сохраняя при этом общий нейтральный заряд. Под действием физической силы ионы в решетке сближаются, создавая дисбаланс зарядов, который резонирует во всем материале. Это приводит к тому, что два конца кристалла имеют противоположные заряды, создающие напряжение. Как только сила была удалена, материал возвращается в свое нормальное состояние.
Пьезокерамические датчики
Как следует из названия, пьезокерамические датчики - это датчики, в которых активный чувствительный материал является керамическим и пьезоэлектрическим. Керамические материалы определяются как неорганические неметаллические материалы. Есть много примеров, которые попадают в эту категорию, включая неорганические оксиды, нитриды и карбиды. Одним из распространенных примеров пьезокерамики, используемой в сенсорах, является титанат цирконата свинца, широко известный как PZT.
Поскольку пьезоэлектрический эффект создается во многих физических средах, пьезокерамические датчики можно использовать для измерения изменений физических факторов, включая давление, ускорение, температуру, вызванный удар, деформацию или силу. Изменение среды вызовет некую силу на пьезокерамике, что приведет к электрическому заряду, который может быть обнаружен и измерен датчиком. Одним из примеров являются датчики напряжения / деформации, используемые в гражданском строительстве, где можно определить смещение конструкции (независимо от того, насколько мало), поскольку оно оказывает воздействие на датчик.
Большинство пьезокерамических датчиков предназначены для измерения более чем одного свойства, при этом давление и ускорение являются наиболее распространенными. В акселерометрах используется немного другой механизм. Механизмы, основанные на прямом воздействии на датчик, называются активными датчиками, тогда как акселерометр является пассивным датчиком. Это означает, что другой компонент внутри датчика оказывает воздействие при изменении измеряемого параметра. В акселерометрах сейсмическая масса прикрепляется к пьезокерамическому материалу и прижимается с относительной силой, когда измеряемый объект ускоряется.
Одним из ключевых преимуществ использования пьезокерамических материалов в датчиках является то, что они могут адаптироваться к множеству различных геометрий, не теряя своих функциональных свойств. В то время как они генерируют электрический заряд при сжатии, физическая объемная структура не сильно меняется, и это предотвращает их разрушение при длительной деформации. Пьезокерамические материалы также устойчивы к электромагнитному излучению, что позволяет использовать их в различных средах для различных областей применения.
Автор Лиам Кричли
