PZT-5 und PZT-5H Materialien mit hoher Empfindlichkeit und großen Verschiebungen
Sensoranwendungen sind eine der Hauptanwendungen von [weichen" piezoelektrischen Keramikmaterialien . Piezoelektrische Materialien werden aufgrund ihrer physikalischen und piezoelektrischen Eigenschaften in [weiche" Materialien oder [harte" Materialien eingeteilt.
Sensorkeramiken zeichnen sich durch größere elektromechanische Kopplungsfaktoren, größere piezoelektrische Konstanten, höhere Permittivität, größere Dielektrizitätskonstanten, etwas größere dielektrische Verluste und niedrigere mechanische Gütefaktoren aus. Sensorkeramiken erzeugen im Vergleich zu harten Keramiken größere Verschiebungen, aber einige weisen eine größere Hysterese auf und sind anfälliger für Depolarisation durch Erhitzen unter hohen Arbeitszyklen und/oder Belastung. Im Allgemeinen schränken höhere Verlustfaktoren die Verwendung von Sensorkeramiken in Anwendungen ein, die hohe elektrische Felder erfordern.
Die Firma Yuhai bietet zwei piezoelektrische Materialien für den Einsatz in Sensoranwendungen an: PZT-5 und PZT-5H . PZT-5 ist das Material der Wahl für die meisten Sensoranwendungen. Es hat die beste Gesamtkombination von Eigenschaften und sollte das erste Material sein, das für die Sensorik getestet wird. PZT-5H bietet mit einigen Einschränkungen eine höhere Empfindlichkeit. Es hat eine niedrigere Gebrauchstemperatur, eine höhere Dielektrizitätskonstante und einen höheren Verlustfaktor. Wenn diese Einschränkungen akzeptabel sind, kann PZT-5H das zu verwendende Material sein.
Typische Anwendungen piezoelektrischer Sensoren
Die Sensormaterialien von Yuhai können in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Die Anwendungen lassen sich grob in zwei allgemeine Nutzungskategorien einteilen:
Aktiv - Keramik die in aktiven Sensoranwendungen verwendet werden, messen die Laufzeit einer Impulsechoantwort oder zwischen einem Sender und einem Empfänger. Piezoelektrische Keramiken, die als Sender verwendet werden, arbeiten typischerweise bei ihrer Resonanzfrequenz, während Sensoren, die als Empfänger verwendet werden, typischerweise in einem Antiresonanzmodus arbeiten. Beispiele für piezoelektrische Keramiken, die in einer aktiven Sensoranwendung verwendet werden, umfassen:
- Durchflusssensoren und Durchflussmesser
- Dickenmessgeräte
- Füllstandssensoren
- Diagnostischer medizinischer Ultraschall
Passiv – Keramiken, die in passiven Sensoranwendungen verwendet werden, arbeiten unterhalb ihrer Resonanzfrequenz, was zu einer breiteren Bandantwort führt. Dadurch kann die Keramik ein Signal über einen weiten Frequenzbereich empfangen. Beispiele für piezoelektrische Keramiken, die in einer passiven Sensoranwendung verwendet werden, umfassen:
- Beschleunigungsmesser
- Hydrophone
- Mikrofone
- Musikalische Abholungen
Hintergrundinformationen zu piezoelektrischen Sensoren
Typische piezoelektrische Sensoren erzeugen nur dann ein Signal, wenn sie eine Änderung der aufgebrachten Kraft oder des Drucks erfahren. Unter statischer Einwirkung wandern freie Ladungsträger im Keramikelement zu den Dipolen, neutralisieren die Ladungen an den Dipolen und entladen so das Element effektiv elektrisch. Die Ladung fließt über den Eingangswiderstand des Geräts ab, das zum Messen des Signals vom Sensor verwendet wird. Ein Stress stört den Gleichgewichtszustand und stellt eine elektrische Ladung wieder her, aber wenn der Stress aufrechterhalten wird, wird die Ladung wieder abfließen. In der Praxis werden Systeme zum Messen niederfrequenter Signale - Eingangsfrequenzen weit unterhalb der Resonanzfrequenz des Systems - zweckmäßigerweise durch die Zeitkonstante beschrieben. Die Zeitkonstante des Systems ist das Produkt aus der Kapazität des Keramikelements und dem Eingangswiderstand der elektronischen Schaltung. Als Faustregel sollte die Zeitkonstante 1/10 der Periodendauer des Eingangssignals betragen. Um beispielsweise ein Signal mit einer Frequenz von 10 Hz zu messen, muss die Zeitkonstante kleiner als eine Sekunde sein. Es gibt drei Alternativen, die den Eingangswiderstand akzeptabel niedrig halten und gleichzeitig die Messung von Niederfrequenzeingängen ermöglichen: Aufbau des Sensors aus mehreren parallel geschalteten Schichten, Einbau eines Ladungsverstärkers in das System oder Einbau eines Kondensators in das System, parallel zu der Fühler.
