Elektronický šum piezokeramických snímačů akustické emise
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Abstract
V práci je provedena analýza elektrických a šumových charakteristik piezokeramických snímačů akustické emise a cílem je analyzovat a navrhnout optimalizaci poměru signál/šum. Výchozím bodem je objasnění vzniku šumu ve snímačích akustické emise. Fluktuace napětí je způsobena mechanickými kmity dipólů v důsledku jejich interakce s fonony. Frekvence kmitů dipólů má statistické rozdělení a celková energie těchto kmitů je úměrná teplotě. Statistické rozdělení frekvence kmitů pak vede ke vzniku spektrální hustoty šumu, která je v nízkofrekvenční oblasti typu 1/f. Mírou interakce mezi fonony a elektrickými dipóly je imaginární složka susceptibility, která souvisí s přeměnou elektrické energie na mechanickou energii kmitů. Tento proces je ireverzibilní a závažný teoretický problém spočívá v tom, zda i v případě snímačů akustické emise lze popsat fluktuační procesy na základě Callenova-Weltonova fluktuačně disipačního teorému. Protože se jedná o tepelné kmity dipólů, očekává se, že i v této soustavě by se měl též objevit generačně-rekombinační šum. V práci je řešen vliv reálné a imaginární složky susceptibility na elektrické a šumové charakteristiky, je popsán rozptyl elektrické energie, který je charakterizován imaginární složkou susceptibility a dále popsána její souvislost s výkonovou spektrální hustotou šumu. Protože základem těchto procesů je interakce elektrických dipólů s fonony, jsou v práci popsány teplotní závislosti ekvivalentního sériového odporu a výkonové spektrální hustoty šumového napětí. Tuhost piezokeramiky se významě podílí na vzniku rezonancí, a proto byl řešen problém vlivu tlaku na šumové charakteristiky snímače. Zvýšení poměru signál/šum vyžaduje zvětšování průřezu piezokeramického vzorku při zachovaní stejné tloušťky. Protože jak šumová spektrální hustota tak citlivost jsou přímo úměrné tloušťce piezokeramického vzorku, proto poměr šumové spektrální hustoty a citlivosti nezávisí na tloušťce vzorku. Protože šumové napětí je přímo úměrné odmocnině ze spektrální hustoty a šířky pásma, proto poměr napětí na snímači k šumovému napětí roste s odmocninou z tloušťky. Pro vysoký poměr signál/šum je nezbytné minimalizovat šířku pásma zesilovače signálu. Výkonová spektrální hustota šumového napětí roste s rostoucí teplotou, přičemž při teplotě 300 K je aktivační energie 20 meV a při teplotě 400 K je aktivační energie 80 meV. S rostoucím tlakem se výkonová spektrální hustota planárních kmitů snižuje a současně se rezonanční frekvence zvyšuje. Šířka křivky normované spektrální hustoty roste s tlakem pro planární kmity, zatímco pro tloušťkové kmity se nemění. Aby bylo možné posoudit vliv elektrické polarizace piezokeramiky na elektrické a šumové charakteristiky bylo provedeno experimentální studium těchto závislostí na vzorcích bez polarizace a pro vzorky polarizované elektrickým polem o intenzitě Ep = 500 V/mm a 1000 V/mm. Vzorky bez polarizace vykazují pouze šum typu 1/f v souladu s Callenovým-Weltonovým teorémem. Polarizace vede ke vzniku planárních a tloušťkových kmitů a výkonová spektrální hustota fluktuace napětí na elektrodách je přímo úměrná teplotě, nepřímo úměrná imaginární složce permitivity, ploše vzorku S a frekvenci f.
In our work the analysis of electrical and noise characteristics of piezoceramic acoustic emission sensors is accomplished. The objective of our work is to analyze and optimize the signal-to-noise ratio. The starting point is the explanation of the noise origin in the acoustic emission sensors. The voltage fluctuation is caused by the dipole vibrations due to their interaction with phonons. The frequencies of dipoles vibrations have statistical distribution and the total energy of these vibrations is proportional to the temperature. The statistical distribution of vibration frequencies leads to the origination of the 1/f type noise spectral density. The interaction between the phonons and electric dipoles is characterized by the imaginary part of susceptibility which is related to the transformation of electric energy to the mechanical energy of vibrations. This process is irreversible and this forms important theoretical question whether the Callen-Welton fluctuation dissipation theorem could be used for the description of fluctuation processes in the acoustic emission sensors. In our work the influence of the real and imaginary part of the susceptibility on the noise and electrical characteristics is solved, the dissipation of electrical energy characterized by the imaginary part of susceptibility is described and the connection between the imaginary part of susceptibility and the noise power spectral density is discussed. Due to the fact that these processes originate in the interaction between electrical dipoles and phonons, we give account of the temperature dependencies of equivalent series resistance and power spectral density of noise voltage, respectively. Piezoceramics stiffness contribute significantly to the resonance creation hence the pressure influence on the sensor noise characteristics was studied. The signal-to-noise ration improvement requires the piezoceramic sample diameter increase for its constant thickness. The ratio of the noise spectral density and sensitivity is independent on the sample thickness. The noise voltage is proportional to the square root of spectral density and frequency bandwidth that is why for the high signal-to-noise ratio it is necessary to minimize the signal amplifier frequency bandwidth. The noise voltage power spectral density increases with the temperature while the activation energy is 20 meV for the temperature 300 K, and 80 meV for the temperature 400 K, respectively. The power spectral density of planar oscillations decreases with increasing pressure and simultaneously the resonant frequency increases. The bandwidth of the normalized spectral density increases with the pressure for the planar oscillations while is invariable for the thickness oscillations. For the examination of the influence of the piezoceramic electrical polarization on the electrical and noise characteristics the experimental study of these dependencies was accomplished for samples without polarization, and samples polarized by electric field EP = 500V/mm and 1000V/mm, respectively. The samples without polarization show the noise of 1/f type only which corresponds to the Callen-Welton fluctuation dissipation theorem. The polarization leads to the generation of planar and thickness oscillations and the power spectral density of voltage fluctuation on the electrodes is proportional to the temperature, and inversely proportional to the imaginary part of permittivity, to the sample area S, and the frequency f.
In our work the analysis of electrical and noise characteristics of piezoceramic acoustic emission sensors is accomplished. The objective of our work is to analyze and optimize the signal-to-noise ratio. The starting point is the explanation of the noise origin in the acoustic emission sensors. The voltage fluctuation is caused by the dipole vibrations due to their interaction with phonons. The frequencies of dipoles vibrations have statistical distribution and the total energy of these vibrations is proportional to the temperature. The statistical distribution of vibration frequencies leads to the origination of the 1/f type noise spectral density. The interaction between the phonons and electric dipoles is characterized by the imaginary part of susceptibility which is related to the transformation of electric energy to the mechanical energy of vibrations. This process is irreversible and this forms important theoretical question whether the Callen-Welton fluctuation dissipation theorem could be used for the description of fluctuation processes in the acoustic emission sensors. In our work the influence of the real and imaginary part of the susceptibility on the noise and electrical characteristics is solved, the dissipation of electrical energy characterized by the imaginary part of susceptibility is described and the connection between the imaginary part of susceptibility and the noise power spectral density is discussed. Due to the fact that these processes originate in the interaction between electrical dipoles and phonons, we give account of the temperature dependencies of equivalent series resistance and power spectral density of noise voltage, respectively. Piezoceramics stiffness contribute significantly to the resonance creation hence the pressure influence on the sensor noise characteristics was studied. The signal-to-noise ration improvement requires the piezoceramic sample diameter increase for its constant thickness. The ratio of the noise spectral density and sensitivity is independent on the sample thickness. The noise voltage is proportional to the square root of spectral density and frequency bandwidth that is why for the high signal-to-noise ratio it is necessary to minimize the signal amplifier frequency bandwidth. The noise voltage power spectral density increases with the temperature while the activation energy is 20 meV for the temperature 300 K, and 80 meV for the temperature 400 K, respectively. The power spectral density of planar oscillations decreases with increasing pressure and simultaneously the resonant frequency increases. The bandwidth of the normalized spectral density increases with the pressure for the planar oscillations while is invariable for the thickness oscillations. For the examination of the influence of the piezoceramic electrical polarization on the electrical and noise characteristics the experimental study of these dependencies was accomplished for samples without polarization, and samples polarized by electric field EP = 500V/mm and 1000V/mm, respectively. The samples without polarization show the noise of 1/f type only which corresponds to the Callen-Welton fluctuation dissipation theorem. The polarization leads to the generation of planar and thickness oscillations and the power spectral density of voltage fluctuation on the electrodes is proportional to the temperature, and inversely proportional to the imaginary part of permittivity, to the sample area S, and the frequency f.
Description
Keywords
elektronický šum, piezokeramické senzory, akustická emise, výkonová spektrální hustota šumového napětí, polarizační šum, tepelný šum, šum 1/f, generačně rekombinační šum, citlivost piezokeramických snímačů, electronic noise, piezoceramic sensors, acoustis emission, power spectral denstity of noise voltage, polarization noise, thermal noise, noise 1/f, generation recombination noise, sensitivity of piezoceramic sensors
Citation
MAJZNER, J. Elektronický šum piezokeramických snímačů akustické emise [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. 2008.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
Mikroelektronika a technologie
Comittee
Date of acceptance
2008-11-11
Defence
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení