锆钛酸铅表面电流的行为在机械冲击

文摘

一个新的机械应力检测技术,基于电流锆钛酸铅(压电)表面,本文描述。压电换能器的电流特性的特点是使用钨硬度计压头。钨硬度计压头降至一定高度,机械冲击PZT-sample引起的。钨针达到直接接触的上表面在影响铁电样品。雷竞技网页版这个过程允许的电流测量飞PZT-surface和钨针。结果表明,铁电域打开压电陶瓷表面和塑性变形产生这种电流在加载力的作用。电流消失在几微秒后删除加载的力。力的测量进行了使用不同地区应用压电陶瓷表面上。碰撞引起的机械应力,通过生成的样本,同时也是一个可以衡量的偶极矩。用这种方法结果表明,压电陶瓷展品高灵敏度对机械应力通过电流流动,而典型的偶极矩的测量。PZT-ceramics的这个特定的材料属性可以用于新的机械应力传感器设计高灵敏度笨重PZT-sensors正常使用。

关键字

锆钛酸铅、机械冲击、压电电流。

介绍

传感器,允许现场检测的机械应力,发现广泛的兴趣在几个工业部门(1- - - - - -3]。作为工业利益的结果,新的传感器设计和物理测量概念的影响和压力测量是发达国家在过去的年4- - - - - -7]。Micro-electromechanical-based传感器(MEMS)设备允许响应时间短,灵敏度高。廉价和快速生产这些设备的微机技术的进步在过去的十年里8- - - - - -10]。结合快速数据分析芯片,应力分布在基质电子应用程序可以获得高的时间和空间分辨率由这些传感器设备(11,12]。他们可以用于结构健康监测的应用13]。在这种情况下压电陶瓷片的方法基于网络的集成多通道扫描系统测量兰姆波在传播后压力应用程序开发。它允许实际应用对结构健康监测14]。对于其他的压力测量应用程序,通常使用的金属弹性膜应变仪,是力传感器(15]。压电陶瓷片的压电材料,像或Langasite通常用于新膜基传感器,由于其简单的信号处理,灵敏度高,线性度好(16- - - - - -18]。如果膜的位移之间的关系和作用的力,膜也可以作为力传感器。这里的振动膜在单一强调注册为信号的峰值。很难区分不同强调事件,如果强调事件互相重叠。这种信号的行为可能是由于浓度在短时间间隔的强调事件。在许多情况下,检测出电脉冲是由电子元件的机械振动引起的。对这种方式不可能发现的面积最大的强调点安装传感器在地方和单一强调事件发生的位置就很难确定。根据几何参数(如厚度、直径等)的机械性能监控电气组件,该决议的压力监测可以为相同的加载条件下(不同19]。等的适用性的角度对结构健康监测传感器的可用性是有限的,由于自由振动测试电子元件。其他敏感动态力传感器,如压电、电容式或聚合物和光纤传感器显示相同的不必要的行为(20.- - - - - -22]。失败的概率敏感的厚传感器由于密集的强调事件高,膜传感器的缺点,必须考虑在内。裂缝内传感器的电气连接,连接传感器的接收单位,导致缺陷和防止信号传输(23,24]。考虑上面提到的特性,一个力传感器具有高机械抗压力,产生电信号直接行动中作用力,可以用作无线发射机,必须发展。在这种背景下,有趣的是测试目前的排放铁电和压电样本的属性。压电材料的特征是低电流在试样表面由于机械压力。经常在PZT-ceramics表面电流是由弹性变形引起的。这是一个非常规的效应引起的铁电材料的表面波动的指控。Rosenmann沿着(010)表明,电子发射- Y +水晶边缘和(010)- Y -酸锂单晶晶体边缘可以引起机械变形(One hundred.)晶体方向(25]。同时脉冲压电晶体的机械负荷提高脉冲电流(26]。电流在压电石英标本也可以诱导子微秒脉冲压力和由此产生的失败27]。通常情况下,压电陶瓷是不对称的变形和发生在铁电样品的机械负荷(28,29日]。因此,可以预期,PZT-specimen表面电流在短时间内会发生在外加力的作用。通过这种方式,强调事件的重叠的概率会减少。这方面很重要,吸引了相当大的兴趣PZT-materials为结构健康监测中的应用。此外,需要注意的是,粒子层展品低阻尼因子和高信号传输特性(30.]。压力检测技术基于目前的排放之间的相关性和偶极矩生成内部大部分铁电PZT-specimen是这项工作的主题。

理论方法

增强电流,电荷载引起的PZT-surfaces在机械的影响是一个复杂的机制,可以估计实验。然而,它似乎是合理的定义的行为偶极矩在铁电陶瓷和陶瓷的输出电压,并比较这些理论方法和测量输出电压和电流流动。这种方法允许电流的振幅的理论估计压电陶瓷表面和偶极矩的依赖代在机械冲击。可以估计的机械作用力F p和冲动的第一次接触的时差钨针与压电标本T T = 1和的最大装载标本女士:方程雷竞技网页版

F = P / T (1)

P可以由以下方程描述:

p = m∙v (2)

在m是钨针的质量,5毫克和v钨针的速度从落差计算h与9 5毫米和重力加速度,81 m / s

(3)

这种方式速度计算为0,3132 m / s和p冲动4,4 7∙打败kg.m / s。导致这样的结论:加载力影响压电陶瓷标本中有一个值0,47 N。

压电陶瓷的电负载q是估计的

q = d₃₃∙F (4)

与维₃₃压电系数和值为400与1879∙∙10 - 12 C / N 10-1O C输出

电压从压电陶瓷试样的机械计算的影响

(5)

与d与1,试样的厚度5毫米和e₃₃压电应力常数与700年8854年∙∙10 - 12 C / (Vm)它可以估计,12 V。这里有必要了解,估计价值输出电压较低的点连接表面的标本。在这里,有必要了解振幅测量电压的三个频道2 - 4不同的理论方法。这种行为的原因是PZT-ceramic内的波传播衰减。这种材料系数取决于材料孔隙度、极化频率和有效支撑领域(31日]。基于这些数据,使用PZT-ceramic估计的系数α= 71 1 m¹。机械的压力波和衰减后影响压电表面可以被定义

P = P₀。exp(-α方式)

P₀影响的压力点,x -点的距离的影响,P₀——在距离和物质压力系数。图1显示了均匀的压电材料的波传播有高孔隙度和没有几何影响及其衰减,根据区域的距离的影响。传播与k波模型通过仿真工具MATLAB程序。这个软件包允许现实调制声波传播的内部材料和传感器的测量信号点(32,33]。简化的弹性波压强P之间的关系和测量输出电压u点可以评估

P = F / A (7)

F是作用力从方程1和针销和压电表面的接触面积与7068年∙10雷竞技网页版^1阿米²从方程4和5。它变得明显,u ~ P和电压的行为,由于生成的偶极矩,可以在方程所描述的类似关系6。

材料和方法

材料

压电陶瓷标本是由陶瓷注射成型过程。为此商业压电陶瓷粉(Arburg GmbH), 91年1 - 5μm和平均粒径,5卷%与主要粘合剂混合Licomont EK 583(科莱恩国际有限公司)- 6 0卷。%在双螺杆挤出机。同时,聚乙二醇35000 (PEG 35000) - 1, 5卷。%与一个特殊的混合树脂1,0卷。%的原料。注塑后,标本进行了脱脂过程温度剖面图是推荐的制造商(图2)。脱脂后的标本被烧结40小时。标本被极化时间取决于应用程序的直流电压与最大振幅的4、5 kV 120年代。样品制备和测量装置图3显示准备样品图4测量装置。一半的上部和底部表面环绕PZT-specimen 1、5毫米厚度和涂有100μm镀银层(1),上涂料分为六个几个领域和编号,而底部表面作为完整的层。银涂层被撤的第二区域分离的上表面(2)。在这里,压电材料被曝光。旁边的三个领域,压电陶瓷片的接触面积上试样表面,通过电缆连接的距离彼此12毫米(3)内的同步测量偶极矩PZT-specimen在机械冲击。相反的表面(4)第一个区域也与示波器接近完整的电路和测量之间的加强偶极矩底表面和上表面上的三个分离领域。这些电报传播加强电脉冲,短时间内偶极矩所引起的压电陶瓷由于机械的影响,数字示波器的“6403年Pico”350 MHz带宽和采样率每秒5 giga-samples和输入电阻R2, R3和R4 50Ω。标本与电缆的连接允许不同区域测量机械标本内波的传播时间。压电陶瓷表面的变形是由于钨针(5)的缩进,在压电陶瓷表面增强电流流动。的钨针连接由一个电力电缆与示波器的输入电阻1 MΩ相反的表面和其他电缆(4)。这种方式可以地面上的低电流PZT-surface并测量他们的振幅随着电压降R1 (1 MΩ)阻力。

实验

钨针是多少高度的几个地区7日5毫米压电表面,在每个区域(10倍图5)。表面是很重要的损害降到最低,减少这种方式影响其塑性变形。这是数量少的原因对每个区域的影响。影响地区编号,而影响2 - 7日进行了1 - 1的距离,彼此5毫米1号线和影响区域生成的垂直距离2毫米的取向。距离的变化是由变化的运动精度表。地区之间的距离1和1之间变化,5 mm,所示表1。这些测量允许调查依赖电动表面的电流之间的偶极矩对统计数据的波动和影响不同区域的数字。

表1地区之间的距离的影响。

结果与讨论

在实验过程中,时间分辨的信号描述渠道CH₁对CH₄被获得。在图6提出了信号的叠加的结果下降的钨针区域2。可以看出信号振幅的最大值出现在很短的时间延迟和最大振幅的表面电流(CH₁)从PZTspecimen 6倍高于振幅,偶极矩引起的(CH2 - 4)。四的最大振幅之间的时移信号可以解释机械的非均匀传播波在压电陶瓷。在这种情况下它是有趣的理解之间的关系产生偶极矩,标本内的波传播和电流从压电表面钨针。数据6和7显示最大电流电压的依赖性最大振幅,偶极矩产生的冲击面积2。最大电压值CH₂面积2可以描述这种依赖通过线性回归

U_我= 41611∙UCH2−39岁73 V (6)

UI描述最大在R1 (1 mΩ)上的外加电压输入电阻的电流从压电陶瓷表面钨针。在这里,你_CH2外加电压在示波器的通道2,由于偶极矩的一代。确定系数R²= 0,66。之间的依赖通道,通道3和4频道可以在同样的方式描述以下方程:

U_甲基= 1,98∙UCH2−0 5 V, R²= 0,65 (7)

U_甲烷= 1,74∙UCH3−1、14 V, R²= 0,62 (8)

图8显示了最大值的累积分布面积2四个通道的影响。累积分布之间的偏移电压最大值之间的通道,通道3和4频道可以用机械来解释波传播速度的影响及其衰减后,根据点和点之间的距离的影响,与示波器的三个连接领域。可以定义的不同振幅的一个常数抵消因素,取决于影响点的距离测量。这导致下面的方程,它允许计算的最大振幅之间的依赖渠道中影响区域2:

U_马克斯,CH₂= U_马克斯,CH₃+ 0,57 v (9)

U_马克斯,CH₂= U_马克斯,CH₄+ 0,93 v (10)

也显示,表面电流的最大值之间更多的分布式和直接的比例从通道2的电压值,通道3和4频道是不存在的。抵消因素从测量最大电压在2区6之间的变化,82 V和14,57 V。通道2的最大值的依赖可以通过以下所描述的线性回归方程:

U_马克斯,CH₁(我)= 18日7. umax, CH₂-25 v (11)

测量电压最大值的依赖影响区域(pos1-7)所示图9累积概率。最大电压分布和的值取决于区域的影响。需要比较的最大电压的平均值从通道2 - 4在每个位置的平均最大电流电压通道1直接陈述之间的相关性在压电表面电流和电压。这种相关性所示图8。在这里,测量电压从通道1 (U1, CH1)不是直接测量电压成比例(UCH2−UCH3),所产生的偶极矩在机械的影响。但电压和电流振幅之间的相关性存在。通道2的比较最大电压和电流电压通道1和依赖的影响区域所示图10。它变得明显,表面电流和电压的振幅之间的相关性存在。当前的振幅可以估计1 MΩ通道1的输入电阻。这将导致以下方程:

0之间的最大电流冲动是不同的,5和3μA。的振幅依赖于塑性变形压电PZT-specimen冲击面积,表面图11。区域2 - 6的表面变形并没有一个清晰的结构,因为它可以看到在区域1和7。在当地区域1和7循环变形的表面是可见的。这些表面变形导致的结论是,钨针影响了试样在同一位置,而销和表面之间的接触点位置2 - 6不同。雷竞技网页版当地的变化影响区域排放性能上起着重要的作用。深度和位置的影响也影响排放。深度的影响在其表面变形导致高偶极矩生成和高信号振幅。这是高电压和电流振幅的原因1。的表面区域的变形程度3面积小于2,这是低电压振幅区域3的原因。变形程度和影响深度在7区较低,比其他地区的变形程度和振幅也低。 The experimentally determined voltage amplitudes at the oscilloscope channels 2-4 show a correlation with the estimated values by theoretical approach in图2。增强的表面电流可以通过估计显示表面电流和电压振幅之间的关系方程7 - 10和弹性波传播的依赖,在方程1 - 6所示。描述的依赖的锆钛酸铅表面电流偶极矩生成在机械冲击,塑性变形程度的影响必须考虑变形系数k。这样,表面上可以描述为当前值

在维₃₃,P, e₃₃d描述所提到的因素从方程方程1 - 5和7,a和b是方程11的因素和材料因素,改变从0,1和0,3。

结论

散装压电陶瓷的性能进行了测试。结果表明,压电材料能够产生电流在其表面由于机械冲击荷载μA -范围。锆钛酸铅表面增强电流取决于偶极矩生成和表面变形的程度。还存在一个依赖影响区域的位置。根据结果可以得出结论,传感器,基于批量PZT-ceramics适合高效表面应力分布分析机器组件。可以获得的应力分布与时间和空间分辨率高。一个可能的应用程序的传感器系统是结构健康监测。

确认

这项工作进行了框架内的德国联邦教育部

研究项目“MEMS在中期”。

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