Důležité aplikace piezoelektrické keramiky

                           Důležité aplikace piezoelektrické keramiky

Piezoelektrická keramika byla široce používána kvůli jejich piezoelektričnosti a rozmanitosti elektromechanických vlastností způsobených piezoelektrikou. Vzhledem k široké škále piezoelektrických keramických zařízení a jejich širokému spektru použití je obtížné je striktně klasifikovat pomocí jednoduché metody. Obecné aplikace lze obecně rozdělit do dvou kategorií: piezoelektrické vibrátory a piezoelektrické měniče.

1. Převodník

Aplikace piezoelektrického jevu je různorodá a jedním z nejdůležitějších je využití jeho charakteristik s převodníků  . Je to charakteristika přeměny energie , je to  účinek  elektřiny, který je aplikován na piezoelektrickou keramiku, elektrická energie může být přeměněna na mechanickou energii prostřednictvím zpětného napětí; Elektrický efekt přeměňuje mechanickou energii na elektrickou energii. Lidé využívají tuto fyzikální vlastnost piezoelektrické keramiky k výrobě mnoha druhů piezoelektrických zařízení, která jsou široce používána v podvodní komunikaci, ultrazvuku, vysokonapěťovém zapalování a dalších oborech.

1, Piezoelektrický keramický zapalovač

Jedná se o zařízení, které převádí mechanickou sílu na elektrické jiskry k zapálení hořlavin. Je to elektromechanický převodník. V roce 1958 byl průkopníkem použití piezoelektrického jevu keramiky s titaničitanem barnatým (BaTiO3) pro zapalování. Míra vznícení tohoto piezoelektrický prvek piezo tyč není vysoká a hluk je velký. V roce 1962 byla k výrobě zapalovačů použita piezoelektrická keramika zirkoničitan titaničitý (PZT). Tento druh zapalovače je široce používán v každodenním životě, průmyslové výrobě a vojenských záležitostech a používá se k zapalování a detonaci plynů, různých výbušnin a raket.

(1) Základní princip: Pracovní proces zapalovače je rozdělen do tří fází: vytvoření vysokého napětí, zapálení výbojem a zapálení hořlavého plynu. Generování vysokého napětí - Vezměme si jako příklad válcové piezoelektrické keramické prvky, když mechanická síla F působí na válec, krystal se zdeformuje, což způsobí posunutí středu kladných a záporných nábojů v krystalu, takže se na horním a spodním povrchu válce nahromadí velké množství volných nábojů, což produkuje vysokonapěťový výstup. Výstupní napětí je: V=ga3Fh/A, kde A—— plocha průřezu válce; h——výška válce; ga3—— piezoelektrická konstanta napětí. Výbojové zapalování - piezoelektrický keramický prvek vložte do uzavřeného okruhu a ponechte patřičnou mezeru. Když napětí vzroste na vybíjecí napětí mezery, vytvoří se v mezeře výbojová jiskra. Zapalování hořlavého plynu - obecný topný plyn se nespaluje snadno, proto se většinou používá etan, který se snadno zplynuje. Chcete-li prodloužit dobu výboje a zabránit příliš rychlému zhasnutí jiskry, zvyšte rychlost vznícení. Vhodný rezistor může být zapojen do série na vybíjecím konci.

 

(2) Struktura a pracovní princip zapalovače , zde je mnoho druhů zapalovačů a domácí piezoelektrický zapalovač je brán jako příklad pro ilustraci jeho struktury a pracovního principu. Lze jej připevnit na domácí sporák pro zapálení plynu, otočení vačkového spínače, pomocí  vyčnívající části vačky zatlačí na nárazový blok a stlačí pružinu za nárazovým blokem. Když se vyčnívající část vačky odlomí od nárazového bloku, v důsledku elastické síly pružiny, nárazový blok udělí  piezokeramickému piezoelektrickému .prvku nárazovou sílu, která generuje vysoké napětí na obou koncích piezoelektrického prvku a vyšle vysoké napětí ze střední elektrody, aby se vytvořila elektrická jiskra k zapálení plynu.

 

2. Podvodní akustický měnič

Podvodní akustický snímač je zařízení snímače používané pro podvodní komunikaci a detekci. Lidé vědí, že vzdušná komunikace a detekce závisí hlavně na elektromagnetických vlnách, jako jsou rádiová komunikační a radarová zařízení atd., všechny spoléhají na elektromagnetické vlny pro přenos informací ve vzduchu. Pro podvodní komunikaci a detekci není možné použít elektromagnetické vlny. Je to proto, že elektromagnetické vlny mají ve vodě velkou ztrátu šíření a někdo, kdo necestuje daleko, je pohltí. Ztráta šíření zvukových vln ve vodě je však velmi malá, proto se využívá hlavně podvodní komunikace a detekce Zvukové vlny se používají k přenosu informací a nástroje, které generují a detekují zvukové vlny, se nazývají sonarové systémy. Sonarové systémy jsou nepostradatelnými nástroji pro podvodní navigaci, komunikaci, detekci ponorek a hejn ryb a mořský výzkum. Lidé srovnávají sonar ve vodě s radarem ve vzduchu a oči a uši sonarového systému jsou podvodní akustické měniče. Výzkum podvodních akustických měničů začal v 1. světové válce. Francouzský Langevin poprvé použil křemenné krystaly k výrobě podvodních akustických měničů založených na piezoelektrickém jevu. Přestože byl podvodní akustický měnič vytvořený Langem Zhiwanem limitován tehdejšími technickými podmínkami a ve skutečnosti nebyl používán na hlubinných ponorkách, významně přispěl k rozvoji podvodní akustické vědy v budoucnu. Langevinův měnič využívá reverzní napěťový efekt křemenného krystalu k vysílání zvukových vln do vody, piezo keramická trubice přijímá zvukové vlny vrácené z vody prostřednictvím kladného napěťového efektu a provádí některá podvodní měření podle doby vratného pohybu pulzních zvukových vln.

Lidé provedli hloubkový a systematický výzkum piezoelektrické podvodní akustické měniče , aby byly praktické. Hlavními piezoelektrickými materiály používanými v té době však byly ve vodě rozpustné piezoelektrické krystaly – Rocheova sůl a dioxyfosforečnan draselný. Koncem 50. let se objevila piezoelektrická keramika. Výroba podvodních akustických měničů s piezoelektrickou keramikou se téměř stala hlavním piezoelektrickým materiálem, který si lidé vybírají. Protože má mnoho vlastností, které piezoelektrické krystaly v minulosti neměly, stal se nejideálnějším piezoelektrickým materiálem pro výrobu podvodních akustických měničů a neexistuje žádný jiný materiál, který by se mu vyrovnal. Hlavní výhody piezoelektrických keramických podvodních akustických měničů jsou:

(1) Není potřeba stejnosměrné předpětí a cívka, vibrační systém je jednoduchý;

(2) Piezoelektrický keramický měnič je malých rozměrů a má vynikající vlastnosti;

(3) Piezoelektrické keramické měniče mohou být vyrobeny do libovolného tvaru podle potřeby.

Piezoelektrické měniče jsou nejpoužívanějším typem měničů v oblasti podvodní akustické techniky. Výkonnostní indikátory podvodních akustických měničů musí mít pouze provozní frekvenci, elektromechanický vazební koeficient, elektromechanický převodní koeficient, jakostní faktor, frekvenční charakteristiky, impedanční charakteristiky, směrové charakteristiky, amplitudové charakteristiky, citlivost vysílání, citlivost příjmu, výkon vysílače, vlastnosti teplotní a časové stability, mechanickou pevnost a hmotnost atd. Pro praktický měnič však není nutné předkládat tolik požadavků na indexy, ale předkládat různé požadavky na index a použití bez ohledu na různé příležitosti a použití.

Za druhé, piezoelektrický vibrátor

Po vzhledu Piezoelektrická keramika PZT , je možné vyrobit keramické filtry. Použitím různých vibračních režimů piezoelektrických vibrátorů lze vyrobit keramické filtry s různými frekvencemi. Nejdříve použitým vibračním režimem jsou radiální vibrace nebo obrysové vibrace, čímž se vytvoří 455kHz filtr. Později se frekvence keramických filtrů rozvinula do obou konců, přičemž horní hranice dosahovala 10 MHz a spodní hranice 1 kHz. Díky použití režimu energetické pasti je frekvence keramického filtru až 100 MHz, filtr povrchových akustických vln buzený interdigitálním měničem dosáhl nad 1 GHz a nejvyšší frekvence filtru povrchových akustických vln využívající piezoelektrickou keramiku jako substrát byla až 630 MHz.

Piezoelektrický transformátor je také vibrátor z hlediska jeho použití a jeho základní strukturou je nastavení dvou sad elektrod na piezoelektrické keramické těleso do čtyř vývodů. Přidání elektrického signálu na primární stranu způsobí, že rezonuje, a sekundární strana má výstup. Tímto způsobem funguje jako transformátor v době rezonance. Výzkum piezoelektrických transformátorů začal dříve. U piezoelektrických transformátorů vyrobených z monolitické keramiky není snadné zvýšit výkon a napájecí napětí. Vícevrstvý piezoelektrický transformátor je vyroben stejnou vícevrstvou kompozitní technologií jako technologie výroby monolitického kondenzátoru a jeho výkon a napájecí napětí jsou výrazně vylepšeny, což dále rozšiřuje rozsah použití piezoelektrického transformátoru.

 

1. Piezoelektrický transformátor

Piezoelektrické transformátory byly vyvíjeny od 50. let 20. století. V té době se jako hlavní materiál používal titaničitan barnatý. Poměr zesílení je nízký (pouze 50~60krát). Výstupní napětí je cca 3000V. Se vznikem piezoelektrických keramických materiálů na bázi zirkoničitanu titaničitého se poměr zvýšení zvýšil na 300~500krát a postupně se popularizuje a používá v televizorech, elektrostatických kopírkách a generátorech záporných iontů jako vysokonapěťové napájecí zdroje.

(1) Základní principy. Elektrická vibrační energie přiváděná do piezoelektrické keramiky je přeměněna na mechanickou vibrační energii prostřednictvím inverzního piezoelektrického jevu a poté přeměněna na elektrickou energii prostřednictvím pozitivního piezoelektrického jevu. Konverze impedance (z nízké impedance na vysokou impedanci) je realizována během těchto dvou přeměn energie, takže lze dosáhnout vysokého piezoelektrického výstupu při rezonanční frekvenci keramického plechu. Nyní si vezměte jako příklad horizontální a vertikální transformátory s natahovací vibrací pro ilustraci principu transformátorů.

 

Celý keramický čip je rozdělen na dvě části, levá část je vstupní konec (také známá jako hnací část), na horní a spodní straně jsou vypálené stříbrné elektrody, polarizované ve směru tloušťky, pravá část je výstupní konec (také známá jako část pro výrobu energie) a pravá část je výstupní konec (také známá jako část pro výrobu energie). Na povrchu jsou vypálené stříbrné elektrody. Polarizované po celé délce. Když je na vstupní konec aplikováno střídavé napětí, v důsledku zpětného napěťového efektu bude keramický kus produkovat natahovací vibrace podél podélného směru, které přemění vstupní elektrickou energii na mechanickou energii; zatímco část pro výrobu energie přemění mechanickou energii na elektrickou energii prostřednictvím kladného napěťového efektu a poté ji přenese z výstupního konce výstupního napětí. Když není zátěž, poměr zesílení otevřeného okruhu Qm je faktor mechanické kvality materiálu; K31, K33 jsou podélné a příčné elektromechanické vazební koeficienty materiálu; L je délka části pro výrobu energie; t je tloušťka transformátoru. Piezoelektrické transformátory se používají hlavně v případě konverze vysokého napětí, nízkého výkonu a sinusové vlny a mají jedinečné výhody, jako je vysoké výstupní napětí, nízká hmotnost, malá velikost, žádné únikové magnetické pole a žádné spalování. Aby bylo možné získat více napěťových výstupů, podle výstupního napětí horizontálně-vertikálního transformátoru je úměrné délce, čím blíže ke konci části pro výrobu energie, tím vyšší je napětí a elektrody mohou být vyrobeny v různých polohách části pro výrobu energie jako hlavy hřídelů pro získání různých napěťových výstupů.

 

(2) Základní princip činnosti a vlastnosti monolitických (vícevrstvých) piezoelektrických keramických transformátorů. Piezoelektrická keramika je křehký materiál. Aby byla zajištěna jeho mechanická pevnost, musí mít piezoelektrický transformátor určitou tloušťku a hnací napětí výše uvedeného transformátoru je značně omezené. Z tohoto důvodu vznikl projekt monolitického (vícevrstvého) piezoelektrického keramického transformátoru. Po přijetí monolitické (vícevrstvé) struktury lze upravit tloušťku a počet vrstev každé jednotlivé vrstvy a hnací napětí již není omezeno, takže lze vytvořit napětí Elektrické transformátory mohou pracovat v nejlepším stavu bez ohledu na to, v jakém jsou napájecím napětí.

Základní technologie tohoto projektu jsou submikronové nízkoteplotní slinování piezoelektrické keramické materiály , technologie vnitřního vypalování elektrod, technologie polarizační úpravy a konstrukční řešení. Monolitické (vícevrstvé) piezoelektrické keramické transformátory (MPT) jsou třetí generací elektronických transformátorů s následujícími vlastnostmi.

① Ultratenký: tloušťka obecně nepřesahuje 4 mm.

②Vysoká účinnost konverze: více než 97 % při plné zátěži (odporová zátěž).

③ Má samoochrannou funkci automatického vypnutí zkratu zátěže.

④ Rezonanční transformátor: Může realizovat konverzi nulového napětí a nulového proudu.

⑤ Má kvazikonstantní proudové výstupní charakteristiky pro zátěže s nízkou impedancí.

⑥ Žádné zpětné špičkové napětí, spolehlivá ochrana obvodu výkonového zesilovače.

⑦ Žádné elektromagnetické rušení.

⑧Žádné poškození cívky, poškození plísní.

⑨ Odolnost proti solnému spreji, dobrá odolnost proti povětrnostním vlivům, zvláště vhodná pro použití v mořském klimatu.

 

2. Piezoelektrický keramický snímač a reproduktor

Piezoelektrické keramické měniče jsou široce používány v elektroakustických zařízeních, jako jsou piezoelektrické keramické snímače a reproduktory.

(1) Dvoumembránový vibrátor (Obrázek 6-16). Elektroakustické zařízení vyžaduje nízkou mechanickou impedanci a může odpovídat zdroji zvuku nebo zdroji vibrací a piezoelektrický vibrátor s dvojitou membránou může tyto požadavky splnit. Je vyrobena ze dvou piezoelektrických keramických plátů, které jsou roztažitelné na délku. Když se jeden kus natáhne, druhý kus se zkrátí a celý se ohne.

 

Udává princip fungování dvoumembránového vibrátoru. Když se kus piezoelektrické keramiky o určité tloušťce ohne silou, jedna strana jeho tloušťky se prodlouží a druhá strana se stlačí. V tomto okamžiku se uvnitř keramického kusu vygenerují náboje. , ale protože směr polarizace celé membrány je stejný, horní strana je prodloužená a spodní strana je stlačena, což způsobí, že elektrický dipólový moment je opačný, a horní a spodní strana mají stejné znaménko náboje, takže neexistuje žádný rozdíl potenciálů, jak je znázorněno na obrázku 6-16 (a). Je-li místo toho použita konstrukce s dvojitou membránou se dvěma na sobě uloženými listy, lze při ohnutí síly získat napěťový výstup. Obrázek 6-16(b) používá dvě membrány s opačnými směry polarizace zapojené do série. Při působení síly se horní natahuje a spodní stlačuje. Protože směry polarizace jsou opačné, horní a spodní strana dvojité membrány jsou nabity opačnými znaménky a lze získat napěťový výstup. Obrázek 6-16(c) je vytvořen paralelním připojením dvou membrán se stejným směrem polarizace a lze také získat výstupní napětí.

 

(2) Piezoelektrická keramická konstrukce reproduktoru a pracovní princip: Piezoelektrický keramický reproduktor je jednoduché a lehké elektroakustické zařízení s vysokou citlivostí, bez přelévání magnetického pole, bez potřeby měděných drátů a magnetů, nízké náklady, nízká spotřeba energie, snadná oprava, snadná hromadná výroba atd.

Jeho hnacím systémem je piezoelektrická keramická dvojitá membrána, vibračním systémem je papírový kužel a spojovací prvek efektivně přenáší energii hnacího systému do vibračního systému. Při práci se elektrická energie přidaná do piezoelektrické keramické dvojité membrány přeměňuje na mechanickou energii, která je přenášena na papírový kužel přes spojovací prvek, aby vibroval a zněl. Piezoelektrická dvojitá membrána má relativně vysokou impedanci, která tvoří napěťový pohon. Vztah mezi silou F a napětím V je F=KV a K je proporcionální koeficient. Pokud je vibrační mechanická impedance včetně impedance záření Z, rychlost vibrací je: v=F/Z, lze získat akustický tlak P ve středu r vysoké membrány. |P|=10fρS/r |v| kde: f—frekvence; ρ—střední hustota; S – efektivní oblast obratlového těla. Kromě toho lze vyrobit další elektroakustické měniče energie podle piezoelektrického jevu piezoelektrické keramiky, jako jsou vysílače, přijímače, bzučáky atd....