Úvod do piezoelektrických materiálů a technických parametrů

Piezoelektrický materiál piezokeramika jsou krystalické materiály, které při působení tlaku generují mezi svými dvěma konci napětí. V roce 1880 francouzští fyzici P. Curie a bratři J. Curieové zjistili, že když je na křemenný krystal umístěn těžký předmět, některé povrchy krystalu vygenerují náboje a množství náboje je úměrné tlaku. Tento jev se nazývá piezoelektrický jev. Bezprostředně poté bratři Curieovi objevili inverzní piezoelektrický jev, tedy piezoelektrické těleso se deformuje působením vnějšího elektrického pole. Mechanismus piezoelektrického jevu je: krystal s piezoelektrikou má nízkou symetrii. Když je deformován vnější silou, relativní posunutí kladných a záporných iontů v základní buňce způsobí, že se centra kladného a záporného náboje již nepřekrývají, což má za následek makroskopickou polarizaci krystalu, zatímco povrchová hustota povrchového náboje krystalu je rovna projekci intenzity polarizace na povrchový normálový směr, takže když je piezoelektrický materiál deformován tlakem, na obou koncích se objeví náboje s opačnými znaménky. Naopak, když je piezoelektrický materiál polarizován v elektrickém poli, materiál se deformuje v důsledku posunutí centra náboje.

 

Piezoelektrický deskový senzor může generovat elektrická pole v důsledku mechanické deformace a může také generovat mechanickou deformaci v důsledku působení elektrických polí. Tento inherentní elektromechanický vazebný efekt činí piezoelektrické materiály široce používané ve strojírenství. Například piezoelektrické materiály byly použity k výrobě chytrých struktur. Kromě samonosných schopností mají takové konstrukce také funkce, jako je autodiagnostika, samopřizpůsobení a samoléčení, a budou hrát důležitou roli v budoucím designu letadel.

 

Technické parametry piezoelektrických materiálů:

 

Piezoelektrický koeficient d33

 

Piezoelektrický koeficient je převodní koeficient piezoelektrický keramický krystal , který přeměňuje mechanickou energii na elektrickou energii nebo přeměňuje elektrickou energii na mechanickou energii, což odráží vazebný vztah mezi elastickými vlastnostmi a dielektrickými vlastnostmi piezoelektrických materiálů

 

Volná permitivita ε T33 (volná permitivita)

 

Permitivita dielektrika při nulovém (nebo konstantním) napětí, vyjádřená ve Faradech/metr.

 

Relativní permitivita ε Tr3 (relativní permitivita)

 

Poměr dielektrické konstanty ε T33 k dielektrické konstantě vakua ε 0, ε Tr3= ε T33/ ε 0, je bezrozměrná fyzikální veličina.

 

Dielektrická ztráta (dielektrická ztráta)

 

Dielektrikum je energie ztracená v dielektriku v důsledku procesu relaxace elektrické polarizace a svodového vedení při působení elektrického pole.

 

Ztrátový úhel tangens tg δ (tangens ztrátového úhlu)

 

Při působení sinusového střídavého elektrického pole je proud tekoucí v ideálním dielektriku 90 0 před fází napětí, ale v piezoelektrickém keramickém vzorku je v důsledku ztráty energie fázový úhel ψ proudového vedení menší než 900 a jeho komplementární úhel δ ( δ + ψ = 900) se nazývá bezrozměrná fyzikální veličina, bezeztrátová. Lidé obvykle používají tangens ztráty tg δ k vyjádření velikosti dielektrické ztráty, která představuje poměr činného výkonu (ztrátového výkonu) P dielektrika k jalovému výkonu Q . To znamená: faktor elektrické kvality Qe (faktor elektrické kvality)

 

Hodnota činitele elektrické kvality je rovna převrácené hodnotě ztrátové tangens vzorku, vyjádřené pomocí Qe, což je bezrozměrná fyzikální veličina. Je-li k reprezentaci piezoelektrického keramického vzorku ve střídavém elektrickém poli použit paralelní ekvivalentní obvod, pak Qe=1/ tg δ = ω CR

 

Mechanický faktor kvality Qm (mechanický faktor kvality)

 

Poměr mechanické energie uložené v piezoelektrický deskový vibrátor při rezonanci na mechanickou energii ztracenou v jednom cyklu se nazývá mechanický činitel jakosti. Vztah mezi ním a parametry oscilátoru je: Poissonův poměr

 

Poissonův poměr se vztahuje k poměru příčného relativního smrštění a podélného relativního prodloužení pevné látky pod napětím a je bezrozměrnou fyzikální veličinou vyjádřenou δ : δ = - S 12 /S11

 

Sériová rezonanční frekvence fs (sériová rezonanční frekvence)

 

Rezonanční frekvence sériové větve v ekvivalentním obvodu piezoelektrického vibrátoru se nazývá sériová rezonanční frekvence, vyjádřená pomocí fs,

Paralelní rezonanční frekvence fp (paralelní rezonanční frekvence)

 

Rezonanční frekvence paralelní větve v ekvivalentním obvodu piezoelektrického vibrátoru se nazývá paralelní rezonanční frekvence, reprezentovaná fp, tedy fp = rezonanční frekvence fr (rezonanční frekvence).

 

Nižší frekvence dvojice frekvencí, která činí susceptanci piezoelektrického vibrátoru nulovou, se nazývá rezonanční frekvence, reprezentovaná fr .

 

Antirezonanční frekvence fa (antirezonanční frekvence)

 

Vyšší frekvence dvojice frekvencí, která činí susceptanci piezoelektrického vibrátoru nulovou, se nazývá antirezonanční frekvence, vyjádřená fa .

 

Maximální vstupní frekvence fm (maximální vstupní frekvence)

 

Frekvence, kdy je vstupní frekvence piezoelektrického vibrátoru velká, se nazývá velká vstupní frekvence. V tomto okamžiku je impedance vibrátoru malá, proto se také nazývá frekvence malé impedance, vyjádřená f m.

 

Malá vstupní frekvence fn (minimální vstupní frekvence)

 

Frekvence, při které je vstupní frekvence piezoelektrického vibrátoru malá, se nazývá malá vstupní frekvence. V tomto okamžiku je impedance vibrátoru velká, proto se také nazývá frekvence velké impedance, vyjádřená pomocí f n.

 

základní frekvence

 

Nízká rezonanční frekvence v daném vibračním režimu se nazývá základní frekvence a obvykle se stává základní frekvencí.

 

Frekvence podtextu (základní frekvence)

 

Rezonanční frekvence jiné než základní frekvence v daném vibračním režimu se nazývají podtónové frekvence.

 

teplotní stabilita

 

Teplotní stabilita se týká charakteristiky, že výkon piezoelektrické keramiky se mění s teplotou.

 

Při určité teplotě, kdy se teplota změní o 1 ° C, se poměr číselné změny určité frekvence k číselné hodnotě frekvence při této teplotě nazývá teplotní koeficient frekvence TKf.

 

Kromě toho se pro charakterizaci teplotní stability určitého parametru obvykle používá velký relativní drift.

 

Relativní frekvenční posun při kladné teplotě = △ fs (velká kladná teplota)/fs (25 ℃ )

 

Velký relativní frekvenční posun při záporné teplotě = △ fs (velká záporná teplota)/fs (25 ℃ )

 

Koeficient elektromechanické vazby (ELECTRO MECHANICAL COUPLING COEFFICIENT)

 

Koeficient elektromechanické vazby K je druhá odmocnina poměru kvadrátu hustoty energie elasticko-dielektrické interakce V122 k součinu hustoty uložené elastické energie V1 a hustoty dielektrické energie V2.

 

Piezoelektrická keramika běžně používá následujících pět základních vazebních koeficientů

 

A. Rovinný elektromechanický vazební koeficient KP (odráží polarizaci a elektrické buzení tenkého kotouče ve směru tloušťky a je parametrem elektromechanického vazebného efektu během radiální natahovací vibrace.)

 

B. Koeficient příčné elektromechanické vazby K31 (parametry odrážející účinek elektromechanické vazby tenkého pásu podél polarizace ve směru tloušťky a elektrické buzení pro vibraci natahováním délky.)

 

C. Podélný elektromechanický vazebný koeficient K33 (parametr odrážející elektromechanický vazebný účinek tenké tyče v podélném směru polarizace a elektrické buzení pro délkové natahovací vibrace.)

 

D. Koeficient elektromechanické vazby KT tloušťkového natahování

 

E. Tloušťkosmykový elektromechanický vazební koeficient K15 (odráží polarizaci obdélníkové desky v podélném směru, směr budícího elektrického pole je kolmý ke směru polarizace a používá se jako parametr pro efekt elektromechanické vazby při tloušťkovém smykové vibraci.)

 

Piezoelektrická konstanta D (PIEZOELECTRIC STRAIN CONSTANT)

 

Piezoelektrická deformační konstanta je poměr změny složky deformace SI ke změně EI způsobené změnou složky elektrického pole E za podmínky, že jak napětí T, tak složka elektrického pole EM (M ≠ I) jsou konstantní.

 

Piezoelektrická konstanta napětí G (PIEZOELECTRIC VOLTAGE CONSTANT)

 

Konstanta je poměr změny složky intenzity elektrického pole EI způsobené změnou složky napětí TI ke změně TI za podmínky, že elektrické posunutí D a složka napětí TN (N ≠ I) jsou obě konstantní.

 

Curieova teplota TC (CURIE TEMPERATURE)

 

Piezoelektrická keramika má piezoelektrický efekt pouze v určitém teplotním rozsahu. Má kritickou teplotu TC. Když je teplota vyšší než TC, piezoelektrická keramika prochází strukturním fázovým přechodem. Tato kritická teplota TC se nazývá Curieova teplota.

 

Teplotní stabilita (TEMPERATURE STABILITY)

 

Odkazuje na charakteristiky výkonu piezoelektrické keramické měniče , které se mění s teplotou. Obecně existují dvě metody pro popis teplotní stability: teplotní koeficient nebo velký relativní drift.

 

Desetinásobek rychlosti stárnutí (RYCHLOST STÁRNUTÍ ZA DEKÁDU) Y představuje určitý parametr

 

Frekvenční konstanta (FREQUENCY CONSTANT)

 

Pro režimy radiální a příčné délky-protahování je frekvenční konstanta součinem sériové rezonanční frekvence a rozměru prvku (průměru nebo délky), který určuje tuto frekvenci. Pro režimy podélné délky tloušťky a natahovací smykové vibrace je frekvenční konstanta součinem paralelní rezonanční frekvence a velikosti vibrátoru (délka nebo tloušťka), která určuje tuto frekvenci, a její jednotka: HZ.M