Belangrike toepassings van piëso-elektriese keramiek

                           Belangrike toepassings van piëso-elektriese keramiek

Piëso-elektriese keramiek is wyd gebruik as gevolg van hul piëzo-elektrisiteit en die diversiteit van elektromeganiese eienskappe wat deur piëzo-elektrisiteit veroorsaak word. As gevolg van die wye verskeidenheid piëzo-elektriese keramiektoestelle en hul wye reeks toepassings, is dit moeilik om hulle streng te klassifiseer met behulp van 'n eenvoudige metode. Algemene toepassings kan breedweg in twee kategorieë verdeel word: piëso-elektriese vibrators en piëso-elektriese omskakelaars.

1. Transducer

Die toepassing van die piëzo-elektriese effek is gevarieerd, en een van die belangrikste is om dit se s transduktoreienskappe te gebruik  . Dit is energie-omskakeling kenmerk , dit  is  die effek van elektrisiteit word toegepas op die piëzo-elektriese keramiek, D ie elektriese energie kan omgeskakel word in meganiese energie deur die omgekeerde spanning effek; Die elektriese effek verander meganiese energie in elektriese energie. Mense maak gebruik van hierdie fisiese eienskap van piëzo-elektriese keramiek om baie soorte piëzo-elektriese toestelle te vervaardig, wat wyd gebruik word in onderwater kommunikasie, ultraklank, hoë-spanning ontsteking en ander velde.

1, Piëzo-elektriese keramiekontsteker

Dit is 'n toestel wat meganiese krag in elektriese vonke omskakel om brandbare stowwe aan die brand te steek. Dit is 'n elektromeganiese transducer. In 1958 het hy baanbrekerswerk gedoen met die gebruik van piëso-elektriese effek van bariumtitanaat (BaTiO3) keramiek vir ontsteking. Die ontstekingstempo hiervan piezo element piezo staaf is nie hoog nie, en die geraas is groot. In 1962 is loodsirkonaattitanaat (PZT) piëso-elektriese keramiek gebruik om ontstekers te maak. Hierdie soort ontsteker word wyd gebruik in die daaglikse lewe, industriële produksie en militêre aangeleenthede, en word gebruik om gasse, verskeie plofstof en vuurpyle aan te steek en te ontplof.

(1) Basiese beginsel: Die werksproses van die ontsteker word in drie fases verdeel: hoëspanningopwekking, ontlaai-ontsteking en ontsteking van brandbare gas. Hoëspanning generasie - Neem silindriese piëzo-elektriese keramiek elemente as 'n voorbeeld, wanneer die meganiese krag F op die silinder inwerk, sal die kristal verwring word, wat veroorsaak dat die middelpunt van positiewe en negatiewe ladings in die kristal skuif, sodat 'n groot hoeveelheid vrye ladings op die boonste en onderste oppervlaktes van die silinder sal verskyn wat 'n hoë spanning uitset produseer, dit is 'n hoë spanning uitset. Die uitsetspanning is: V=ga3Fh/A, waar A——die deursnee-area van die silinder; h——die hoogte van die silinder; ga3——die piëso-elektriese spanningskonstante. Ontlaai-ontsteking - plaas die piëzo-elektriese keramiekelement in 'n geslote stroombaan en laat 'n behoorlike gaping. Wanneer die spanning tot die ontladingsspanning van die gaping styg, sal 'n ontladingsvonk in die gaping gegenereer word. Ontsteking van brandbare gas - algemene brandstofgas is nie maklik om te verbrand nie, so etaan wat maklik is om te vergas word meestal gebruik. Om die ontladingstyd te verleng en te voorkom dat die vonk te vinnig geblus word, om die ontstekingstempo te verhoog. 'n Toepaslike weerstand kan in serie aan die ontladingskant gekoppel word.

 

(2) Die struktuur en werkingsbeginsel van die ontsteker , hier is baie soorte ontstekers, en die huishoudelike piëso-elektriese ontsteker word as 'n voorbeeld geneem om die struktuur en werkingsbeginsel daarvan te illustreer. Dit kan op die huishoudelike fornuis vasgemaak word om die gas aan die brand te steek, die nokskakelaar te draai, dit  gebruik die uitsteekdeel van die nok om die impakblok te druk, en druk die veer agter die impakblok saam. Wanneer die uitsteekende deel van die nok wegbreek van die impakblok, as gevolg van die elastiese krag van die veer, gee die impakblok aan die  piëzo- keramiek .piëso-elektriese element 'n impakkrag, wat hoë spanning aan beide kante van die piëzo-elektriese element opwek en hoë spanning vanaf die middelelektrode afvoer om 'n elektriese vonk op te wek om die gas aan die brand te steek.

 

2. Onderwater akoestiese transducer

'n Onderwater akoestiese transducer is 'n transducer toestel wat gebruik word vir onderwater kommunikasie en opsporing. Mense weet dat lugkommunikasie en opsporing hoofsaaklik staatmaak op elektromagnetiese golwe, soos radiokommunikasie en radartoerusting, ens., almal maak staat op elektromagnetiese golwe om inligting in die lug oor te dra. Dit is nie moontlik om elektromagnetiese golwe vir onderwater kommunikasie en opsporing te gebruik nie. Dit is omdat elektromagnetiese golwe 'n groot voortplantingsverlies in water het, en hulle sal geabsorbeer word deur iemand wat nie ver reis nie. Die voortplantingsverlies van klankgolwe in water is egter baie klein, daarom gebruik onderwaterkommunikasie en -opsporing hoofsaaklik Klankgolwe word gebruik om inligting oor te dra, en die instrumente wat klankgolwe opwek en opspoor, word sonarstelsels genoem. Sonarstelsels is onontbeerlike gereedskap vir onderwaternavigasie, kommunikasie, opsporing van duikbote en visskole, en mariene navorsing. Mense vergelyk sonar in die water met radar in die lug, en die oë en ore van die sonarstelsel is onderwater akoestiese omskakelaars. Navorsing oor akoestiese onderwater-omskakelaars het in die Eerste Wêreldoorlog begin. Frankryk se Langevin het die eerste keer kwartskristalle gebruik om akoestiese onderwater-omskakelaars te maak gebaseer op die piëso-elektriese effek. Alhoewel die onderwater akoestiese omskakelaar wat deur Lang Zhiwan geskep is, destyds beperk was deur tegniese toestande en nie eintlik op diepsee duikbote gebruik is nie, het dit 'n beduidende bydrae gelewer tot die ontwikkeling van onderwater akoestiese wetenskap in die toekoms. Die Langevin-omskakelaar gebruik die omgekeerde spanningseffek van die kwartskristal om klankgolwe in die water uit te straal, piëzo-keramiekbuis ontvang die klankgolwe wat uit die water teruggekeer word deur die positiewe spanningseffek, en voer 'n paar onderwatermetings uit volgens die wederkerende tyd van die pulsklankgolwe.

Mense het in-diepte en sistematiese navorsing gedoen oor piëzo-elektriese onderwater akoestiese omskakelaars om hulle prakties te maak. Die belangrikste piëso-elektriese materiale wat destyds gebruik is, was egter wateroplosbare piëso-elektriese kristalle – Roche-sout en kaliumdioksifosfaat. In die laat 1950's het piëzo-elektriese keramiek verskyn. Die maak van akoestiese onderwater-omskakelaars met piëzo-elektriese keramiek het amper die belangrikste piëso-elektriese materiaal geword wat deur mense gekies is. Omdat dit baie eienskappe het wat piëso-elektriese kristalle nie in die verlede gehad het nie, het dit die mees ideale piëso-elektriese materiaal geword vir die maak van akoestiese onderwater-omskakelaars, en daar is geen ander materiaal wat daarmee kan ooreenstem nie. Die belangrikste voordele van piëzo-elektriese keramiek onderwater akoestiese transducers is:

(1) Geen behoefte aan GS-voorspanning en spoel nie, die vibrasiestelsel is eenvoudig;

(2) Die piëzo-elektriese keramiek-omskakelaar is klein in grootte en het uitstekende eienskappe;

(3) Piëso-elektriese keramiek-omskakelaars kan in enige vorm gemaak word soos benodig.

Piëso-elektriese omskakelaars is die mees gebruikte tipe omskakelaars op die gebied van akoestiese onderwatertegnologie. Die werkverrigting-aanwysers van akoestiese onderwater-omskakelaars hoef slegs bedryfsfrekwensie, elektromeganiese koppelingskoëffisiënt, elektromeganiese omskakelingskoëffisiënt, kwaliteitsfaktor, frekwensie-eienskappe, impedansie-eienskappe, rigtingkenmerke, amplitude-eienskappe, transmissiesensitiwiteit, ontvangsensitiwiteit, senderkrag, temperatuur en tydstabiliteitsgewig, ens. baie indeksvereistes ongeag die geleentheid, maar om verskillende en verteenwoordigende indeksvereistes volgens die gebruik en toepassingsgeleenthede daarvan voor te stel.

Tweedens, die piëzo-elektriese vibrator

Na die verskyning van PZT piëzo-elektriese keramiek , dit is moontlik om keramiekfilters te maak. Keramiekfilters met verskillende frekwensies kan gemaak word deur verskillende vibrasiemodusse van piëso-elektriese vibrators te gebruik. Die vroegste toegepaste vibrasiemodus is radiale vibrasie of kontoervibrasie, wat 455kHz-filter maak. Later het die frekwensie van keramiekfilters na albei kante ontwikkel, met die hoë kant wat 10MHz bereik het en die lae kant wat onder 1kHz bereik het. As gevolg van die toepassing van die energievalmodus, is die frekwensie van die keramiekfilter so hoog as 100MHz, die oppervlak akoestiese golffilter wat deur die interdigitale transducer opgewek word, het bo 1GHz bereik, en die hoogste frekwensie van die oppervlak akoestiese golffilter wat piëso-elektriese keramiek gebruik as die substraat was tot 630MHz.

Die piëso-elektriese transformator is ook 'n vibrator in terme van sy toepassing, en sy basiese struktuur is om twee stelle elektrodes op die piëso-elektriese keramiekliggaam te stel om vier terminale te vorm. Deur 'n elektriese sein by die primêre kant te voeg, laat dit resoneer, en die sekondêre kant het 'n uitset. Op hierdie manier werk dit as 'n transformator ten tye van resonansie. Die navorsing oor piëso-elektriese transformators het vroeër begin. Die krag en dryfspanning van piëzo-elektriese transformators wat van monolitiese keramiek gemaak is, is nie maklik om te verhoog nie. Die multi-laag piëzo-elektriese transformator word vervaardig met dieselfde multi-laag saamgestelde tegnologie as die monolitiese kapasitor vervaardigingstegnologie, en sy krag en dryfspanning word aansienlik verbeter, wat die toepassingsreeks van die piëzo-elektriese transformator verder uitbrei.

 

1. Piëzo-elektriese transformator

Piëso-elektriese transformators is sedert die 1950's ontwikkel. Destyds is bariumtitanaat as die hoofmateriaal gebruik. Die hupstootverhouding is laag (slegs 50 ~ 60 keer). Die uitsetspanning is ongeveer 3000V. Met die opkoms van piëso-elektriese keramiekmateriaal van loodsirkonaattitanaat, word die opwaartse verhouding tot 300 ~ 500 keer verhoog, en dit word geleidelik gewild gemaak en gebruik in televisies, elektrostatiese kopieermasjiene en negatiewe ioonopwekkers as hoëspanningkragbronne.

(1) Basiese beginsels. Die elektriese vibrasie-energie-invoer na die piëso-elektriese keramiek word omgeskakel in meganiese vibrasie-energie deur die omgekeerde piëso-elektriese effek, en dan omgeskakel na elektriese energie deur die positiewe piëso-elektriese effek. Impedansie-omsetting (van lae impedansie na hoë impedansie) word tydens hierdie twee energie-omsettings gerealiseer, sodat hoë piëso-elektriese uitset verkry kan word by die resonansiefrekwensie van die keramiekplaat. Neem nou die horisontale en vertikale transformators met strekvibrasie as 'n voorbeeld om die beginsel van transformators te illustreer.

 

Die hele keramiekskyfie is in twee dele verdeel, die linkerdeel is die insetpunt (ook bekend as die dryfdeel), daar is verbrande silwer elektrodes aan die boonste en onderste kante, gepolariseer langs die dikterigting, die regterdeel is die uitsetkant (ook bekend as die kragopwekkingsdeel), en die regterdeel is die uitsetkant (ook bekend as die kragopwekkingsdeel). Daar is verbrande silwer elektrodes op die oppervlak. Gepolariseer oor sy lengte. Wanneer 'n wisselspanning aan die insetpunt toegepas word, as gevolg van die omgekeerde spanningseffek, sal die keramiekstuk strekvibrasie langs die lengterigting produseer, wat die inset elektriese energie in meganiese energie sal omskakel; terwyl die kragopwekkingsdeel meganiese energie in elektriese energie sal omskakel deur die positiewe spanningseffek, en dit dan oordra vanaf die uitsetkant Die uitsetspanning. Wanneer daar geen las is nie, is die oopkring-hupstootverhouding, Qm die meganiese kwaliteitsfaktor van die materiaal; K31, K33 is die longitudinale en transversale elektromeganiese koppelingskoëffisiënte van die materiaal; L is die lengte van die kragopwekkingsdeel; t is die dikte van die transformator. Piëso-elektriese transformators word hoofsaaklik gebruik in die geval van hoë spanning, lae krag en sinusgolf omskakeling, en het unieke voordele soos hoë uitsetspanning, ligte gewig, klein grootte, geen lekkende magnetiese veld en geen verbranding. Ten einde veelvuldige spanningsuitsette te verkry, volgens die uitsetspanning van die horisontaal-vertikale transformator is eweredig aan die lengte, hoe nader aan die einde van die kragopwekkingsdeel, hoe hoër is die spanning, en elektrodes kan op verskillende posisies van die kragopwekkingsdeel as askoppe gemaak word om verskillende spanningsuitsette te verkry.

 

(2) Die basiese werkingsbeginsel en kenmerke van monolitiese (meerlaag) piëso-elektriese keramiektransformators. Piëso-elektriese keramiek is 'n bros materiaal. Om sy meganiese sterkte te verseker, moet die piëzo-elektriese transformator 'n sekere dikte hê, en die dryfspanning van die bogenoemde transformator is redelik beperk. Om hierdie rede het die monolitiese (veellaag) piëzo-elektriese keramiektransformatorprojek tot stand gekom. Nadat die monolitiese (multi-laag) struktuur aangeneem is, kan die dikte en aantal lae van elke enkele laag aangepas word, en die dryfspanning is nie meer beperk nie, dus kan die spanning gemaak word Elektriese transformators kan in die beste toestand werk, ongeag in watter dryfspanning hulle is.

Die kerntegnologieë van hierdie projek is submikron lae-temperatuur gesinterd piëzo-elektriese keramiekmateriale , interne elektrode-samevuurtegnologie, polarisasiebehandelingstegnologie en strukturele ontwerp. Monolitiese (meerlaag) piëso-elektriese keramiektransformators (MPT's) is die derde generasie elektroniese transformators met die volgende kenmerke.

① Ultra-dun: die dikte oorskry gewoonlik nie 4 mm nie.

②Hoë omskakelingsdoeltreffendheid: meer as 97% by volle lading (weerstandslas).

③ Dit het die selfbeskermingsfunksie van outomatiese afsny van laskortsluiting.

④Resonante transformator: Dit kan nulspanning en nulstroomomskakeling realiseer.

⑤ Dit het kwasi-konstante stroomuitset eienskappe vir lae impedansieladings.

⑥ Geen omgekeerde piekspanning nie, betroubare beskerming van die kragversterkerkring.

⑦ Geen elektromagnetiese interferensie nie.

⑧Geen spoelbreuk, skimmelbreuk nie.

⑨Soutbespuitingsweerstand, goeie weerbestandheid, veral geskik vir gebruik in mariene klimate.

 

2. Piëzo-elektriese keramiekbakkie en luidspreker

Piëso-elektriese keramiek-omskakelaars word wyd gebruik in elektro-akoestiese toerusting, soos piëzo-elektriese keramiekbakkies en luidsprekers.

(1) Dubbeldiafragma-vibrator (Figuur 6-16). Elektro-akoestiese toerusting vereis lae meganiese impedansie en kan ooreenstem met die klankbron of vibrasiebron, en die dubbel-diafragma piëso-elektriese vibrator kan aan hierdie vereistes voldoen. Dit is gemaak van twee piëzo-elektriese keramiekplate wat in lengte rekbaar is. Wanneer een stuk gestrek word, word die ander stuk verkort, en die geheel buig.

 

Dit gee die werkbeginsel van die dubbel-diafragma vibrator. Wanneer 'n stuk piëso-elektriese keramiek met 'n sekere dikte onder krag gebuig word, word die een kant van sy dikte verleng, en die ander kant word saamgepers. Op hierdie tydstip sal ladings binne die keramiekstuk gegenereer word. , maar omdat die polarisasierigting van die hele diafragma dieselfde is, word die bokant verleng, en die onderkant word saamgepers, wat veroorsaak dat die elektriese dipoolmoment teenoorgesteld is, en die boonste en onderste sye het dieselfde ladingsteken, dus is daar geen potensiaalverskil nie, soos getoon in Figuur 6-16 (a ) getoon. As 'n dubbel-diafragma-struktuur met twee op mekaar geplaasde velle eerder gebruik word, kan 'n spanningsuitset verkry word wanneer die krag gebuig word. Figuur 6-16(b) gebruik twee diafragmas met teenoorgestelde polarisasierigtings wat in serie verbind is. Wanneer 'n krag toegepas word, rek die boonste een en die onderste een druk saam. Aangesien die polarisasie-rigtings teenoorgesteld is, word die boonste en onderste sye van die dubbele diafragma met teenoorgestelde tekens gelaai, en 'n spanningsuitset kan verkry word. Figuur 6-16(c) word gevorm deur twee diafragmas met dieselfde polarisasierigting in parallel te verbind, en die uitsetspanning kan ook verkry word.

 

(2) Piëzo-elektriese keramiekluidsprekerstruktuur en werkbeginsel: Piëzo-elektriese keramiekluidspreker is 'n eenvoudige en liggewig elektro-akoestiese toestel met hoë sensitiwiteit, geen magnetiese veld-oorloop nie, geen behoefte aan koperdrade en magnete nie, lae koste, lae kragverbruik, Maklike herstel, maklike massaproduksie, ens.

Sy aandryfstelsel is 'n piëzo-elektriese keramiek dubbel diafragma, die vibrasiestelsel is 'n papierkegel, en die koppelelement dra die energie van die aandryfstelsel effektief na die vibrasiestelsel oor. Wanneer daar gewerk word, word die elektriese energie wat by die piëso-elektriese keramiek dubbel diafragma gevoeg word, omgeskakel in meganiese energie, wat deur die koppelelement na die papierkeël oorgedra word om dit te laat vibreer en klink. Die piëso-elektriese dubbeldiafragma het 'n relatief hoë impedansie, wat 'n spanningsaandrywing uitmaak. Die verwantskap tussen die krag F en die spanning V is F=KV, en K is die proporsionele koëffisiënt. As die vibrasie meganiese impedansie insluitend die stralingsimpedansie Z is, is die vibrasiespoed: v=F/Z, die klankdruk P by die middel r van die hoë diafragma kan verkry word. |P|=10fρS/r |v| waar: f—frekwensie; ρ—medium digtheid; S—effektiewe area van vertebrale liggaam. Daarbenewens kan ander elektro-akoestiese energie-omsetters gemaak word volgens die piëzo-elektriese effek van piëzo-elektriese keramiek, soos senders, ontvangers, gonsers, ens.