Piezocomposites metal-cerámica como elementos activos en acelerómetros

Abstract

Piezocomposites metal-cerámica como elementos activos en acelerómetrosLos materiales cerámicos piezoeléctricos presentan un número importante y en continuo aumento de aplicaciones. Entre éstas su utilización como elementos activos en el diseño de acelerómetros posibilita el control de vibraciones en la industria del transporte, aerospacial, robótica e ingeniería civil entre otras. Entre los múltiples diseños como material compuesto destaca, gracias a sus elevados coeficientes de carga efectivos, el denominado tipo címbalo. En este trabajo se comprueba que modificando la geometría y el tamaño de las cápsulas se optimiza el comportamiento del sensor. Concretamente una disminución en el tamaño de las cápsulas se traduce en un aumento de la sensibilidad del acelerómetro. También se muestran los espectros de impedancia y se comparan distintas propiedades como son la frecuencia de resonancia, coeficiente de acoplo electromecánico y tiempo mínimo de respuesta. Palabras clave: Acelerómetro, sensor de impacto, piezoeléctrico, címbalo Piezoelectric materials as driving element in accelerometersPiezoelectric ceramic materials have an important number of applications that is continuing increasing. One of these applications is as driving element in the design of an accelerometer. They may be used in monitoring vibration for the automobile and aeroespacial industries and robotic or civil engineering. The cymbal transducer is a good candidate for accelerometer applications due to its high effective piezoelectric charge coefficients. In this work it is shown that changes in the geometry and size of the caps improve the performance of the sensor. The sensitivity of the cymbal accelerometer increases with decreasing cap size. The mechanical vibration response of the cymbal is studied and different properties, like resonant frequency, electromechanical coupling coefficient, and fastest response time are compared.Keywords: Accelerometer, impact sensor, piezoelectric, cymbal INTRODUCCIÓNEl coste de producción de los acelerómetros ha disminuido drásticamente en los últimos años, haciendo posible que muchas aplicaciones en las que el precio es un factor importante sean ahora económicamente viables. Por ello los acelerómetros se encuentran, cada vez más, en productos comerciales y de consumo.El principio de funcionamiento de un acelerómetro se basa en la ley de Hook y la segunda ley de Newton. La aceleración genera una fuerza sobre una masa, denominada masa sísmica, que al desplazarse deforma un muelle (1) con la condición de que:De esta forma una aceleración a ocasionará que la masa se desplace, o viceversa. Si se observa un desplazamiento x suponemos que la masa está bajo la acción de una aceleración:Hay que señalar que este sistema solo responde a aceleraciones a lo largo de la dirección del muelle. Es lo que se denomina un acelerómetro de un solo eje. Para conseguir medidas de aceleración en múltiples ejes el sistema debe ser duplicado a lo largo de cada uno de los ejes requeridos.No importa cual sea el diseño del sensor o cual se ...

Aplicación de sensores piezoeléctricos cerámicos a la caracterización biomecánica

“…Definiendo la dirección de polarización de la cerámica como el eje 3, se tiene una relación entre la tensión mecánica experimentada por el material, el campo eléctrico aplicado, y el desplazamiento eléctrico resultante, dada por: (1) donde d ij es el tensor de constantes piezoeléctricas de carga, habitualmente denominadas simplemente constantes piezoeléctricas, D i es el vector de desplazamiento eléctrico, E i es el vector campo eléctrico, ε ij es el tensor permeabilidad eléctrica y T j es el tensor de esfuerzos mecáni-cos. Por convención, el primer subíndice de las constantes piezoeléctri-cas indica la dirección del campo y el segundo la dirección del esfuerzo aplicado. Una cerámica piezoeléctrica tiene sólo un tipo de matriz de constantes piezoeléctricas, sea cual sea la simetría de los monocristales constituyentes.…”

“…En efecto, en la actualidad y en nú-mero creciente, son comunes las aplicaciones en las que variables tales como la aceleración [1], fuerza, presión (y variables derivadas como campo acústico o campo ultrasónico [2]) se determinan en entornos industriales mediante sensores piezoeléctricos.…”

Un estudio comparativo de actuadores Piezoeléctricos y Magnetoestrictivos para estructuras inteligentes

“…Equation [3] indicates that the electrostrictive behavior of small AC electric fields around a DC bias electric field may be regarded as the same as the piezoelectric behavior with a remanent polarization equivalent to the bias electric field, i.e. P 0 =E 0 /(ε-ε 0 ).…”

“…Electroceramics have been proposed as the basis for developing acceleration sensors, (3), in the development of solid state gyroscopes or for pressure sensors in the field of biomechanics, (4). In all these instances, the direct piezoelectric effect is exploited and the deformation of the electroceramic is somehow related to the target physical variable to be sensed.…”

Modelo de nucleación y crecimiento de capas nanoestructuradas de óxido de zinc sobre sustratos cerámicos con aplicación a materiales fotovoltaicos híbridos

“…También se encuentra en la industria azulejera donde la búsqueda de nuevos diseños les ha llevado a crear azulejos decorativos con franjas o dibujos metálicos, aportando así una nueva estética del azulejo en el mercado. La industria electrónica también hace uso de estos materiales [68].…”