Original title:
Měření parametrů piezoelektrických aktivních prvků snímačů akustické emise
Translated title:
Measurement of Parameters of Piezoelectric Active Elements for Acoustic Emission Sensors
Authors:
Fialka, Jiří ; Erhart,, Jiří (referee) ; Sedlák, Petr (referee) ; Beneš, Petr (advisor) Document type: Doctoral theses
Year:
2015
Language:
cze Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Abstract:
[cze][eng]
Práce se věnuje problematice měření parametrů piezoelektrických materiálů a vlivu teploty na jejich stabilitu. V úvodní části je stručně vysvětlena problematika piezoelektrického jevu, jeho využití, způsob výroby piezoelektrických materiálů a metody měření jejich vlastností. V praktické části práce je přehledně uveden postup měření a výpočtu kompletní matice materiálových koeficientů z definovaných vzorků PZT keramiky. Postupnou úpravou dostatečně velkého disku byla vyrobena celá sada piezoelektrických vzorků pro všechny typy kmitů, splňující kritéria příslušných norem. Tenký plátek pro příčně podélné kmity, tenký disk pro radiální a tloušťkové kmity, váleček pro tloušťkově podélné kmity a tenký plátek pro tloušťkově střižné kmity. Ke stanovení matice koeficientů a popisu postupu měření byla použita keramika NCE51 firmy Noliac, příp. i starší PCM51. V obou případech se jedná o měkkou PZT keramiku složenou z tuhých roztoků zirkoničitanu olovnatého a titaničitanu olovnatého Pb(Zr1-x,Tix)O3. Vzájemný molární poměr zirkonu a titanu definuje krystalografickou strukturu uvnitř keramiky a jednotlivé fázové přechody. Skutečná struktura a chemické složení měřených vzorků byly ověřeny rentgenovou difrakční spektroskopií respektive prvkovou analýzou energiově disperzní spektroskopií (EDS). K měření vzorků a následnému výpočtu všech koeficientů byla použita frekvenční metoda. Pro měření bylo využito precizního impedančního analyzátoru Agilent 4294A a měřicí pinzety Tweezers Contact Test Fixture 16334A. Provedenými experimenty byla ověřena možnost rychlého stanovení kompletní matice koeficientů piezoelektrické keramiky bez větších nároků na výrobu sady vzorků nutných pro měření. Získaná hodnota nábojového koeficientu byla ověřena přímými metodami, optickou metodou využívající laserového interferometru, vibrometrickou metodou a metodou skokové změny síly působící na element. Na základě provedených měření a experimentů byly metody porovnány a definovány jejich výhody a nevýhody. Hlavní pozornost byla věnována problematice chování piezoelektrického materiálu při teplotách v okolí Curieova bodu. Depolarizace zvýšenou teplotou v okolí Curieova bodu je významnou materiálovou vlastností PZT keramiky, která je však obtížně měřitelná. Využití běžné vibrometrické metody (d33-metry) pro měření teplotních závislostí je technologicky náročné, proto byla použita pro stanovení teplotních závislostí frekvenční metoda. Jako indikátor zobrazující stav depolarizace PZT keramiky byl zvolen piezoelektrický nábojový koeficient, jehož hodnotu lze frekvenční metodou dobře měřit. Přesnost frekvenční metody byla ověřena porovnáním s vibrometrickou metodou na různých rozměrech válečků z PZT keramiky NCE51, určených pro podélné typy kmitů. Výsledkem práce je ověřená metodika měření, která umožňuje dosáhnout přesného stanovení hodnoty Curieova bodu, tzn. fázového přechodu keramiky do kubické krystalografické struktury. Experiment rovněž prokázal možnost postupné řízené depolarizace keramiky pomocí vysoké teploty a současně i hranice teploty, při kterých již začíná docházet k nevratné změně piezoelektrických vlastností PZT keramiky. U keramiky NCE51 respektive PCM51 dochází k nevratným změnám na 95% Curieovy teploty.
The doctoral thesis discusses the measurement of parameters of piezoelectric (PZT) materials and the influence of temperature on their stability. In the introductory sections, the author briefly explains the piezoelectric effect and its use; simultaneously, methods for the preparation of piezoelectric materials and the measurement of their properties are presented to illustrate the analyzed problem. The experimental part of the thesis describes the procedure of measuring and calculating the complete matrix of material coefficients from samples of PZT ceramics. The applied set of piezoelectric samples complying with relevant European and world standards was made in the form of thin plates, thin discs and cylinders, via gradual modification of the large disc. The NCE51 and/or the older PCM51 ceramics obtained from the company Noliac Ceramics were used in determining the complete matrix and describing the measurement method. Both these types are soft piezoceramics composed from a solid solution of lead zirconate and lead titanate with the general chemical formula of Pb(Zr1-x,Tix)O3. The real crystallographic structure and chemical composition of the samples were confirmed by X-ray diffraction spectroscopy and energy dispersive spectroscopy (EDS), respectively. The frequency method was used for the measurement and calculation of all material coefficients. An Agilent 4294A impedance analyzer and a set of measuring tweezers marketed as “Tweezers Contact Test Fixture 16334A” were used in the process. Fast determination of the entire matrix of coefficients without any special requirement for the preparation of the samples to be measured was tested and verified. The charge coefficients of the piezoelectric material were confirmed by direct methods including the laser interferometer technique, the vibrometric method, and the procedure utilizing changes of the force applied to the sample. The advantages and disadvantages of the methods were compared and defined based on measurements and their results. The main part of thesis was focused on the behavior of piezoelectric material at high temperatures near the Curie point. Depolarization performed by means of a high temperature approaching the Curie point constitutes a significant yet hardly measurable material property of PZT ceramics. Commonly available vibrometric methods (d33-meters) do not appear to be suitable for the measurement of temperature dependencies, and for that reason the frequency technique was used. The piezoelectric charge coefficient, whose value can be effectively measured via the above-discussed frequency method, was selected as the indicator showing the depolarization state in the applied piezoelectric ceramics. The accuracy of the procedure was verified via comparison of the vibrometric method in cylinders of the NCE51 ceramics with different sizes, which are designed for the longitudinal length mode. The result is an optimized measurement methodology which facilitates accurate determination of the Curie temperature, namely phase transition to the cubic crystallographic structure. The experiment also proved the applicability of progressive, controlled depolarization of PZT ceramics via high temperature, and it also enabled us to define the temperature limits at which there occur irreversible changes of the piezoelectric properties of piezoceramics. In the measured NCE51 and PCM51 materials, the limit for the irreversible changes was equal to 95% of the Curie temperature.
Keywords:
Acoustic emission; charge coefficient; frequency method; piezoelectric effect; PZT ceramics; temperature dependence; temperature depolarization.; vibrometric method; Akustická emise; frekvenční metoda; nábojový koeficient; piezoelektrický jev; PZT keramika; teplotní depolarizace.; teplotní závislost; vibrometrická metoda
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/43357
guest ::
