Introduktion til piezoelektriske materialer og tekniske parametre

Piezoelektrisk materiale piezokeramik er krystallinske materialer, der genererer en spænding mellem deres to ender, når der påføres tryk. I 1880 opdagede de franske fysikere P. Curie og J. Curie-brødrene, at når en tung genstand placeres på en kvartskrystal, vil nogle overflader af krystallen generere ladninger, og mængden af ​​ladning er proportional med trykket. Dette fænomen kaldes den piezoelektriske effekt. Umiddelbart efter opdagede Curie-brødrene den omvendte piezoelektriske effekt, det vil sige, at det piezoelektriske legeme deformeres under påvirkning af et eksternt elektrisk felt. Mekanismen for den piezoelektriske effekt er: krystallen med piezoelektricitet har lav symmetri. Når den deformeres af en ydre kraft, gør den relative forskydning af de positive og negative ioner i enhedscellen, at de positive og negative ladningscentre ikke længere overlapper hinanden, hvilket resulterer i makroskopisk polarisering af krystallen, mens overfladeladningens overfladetæthed af krystallen er lig med projektionen af polarisationsintensiteten på overfladens normalretning, så når ladningen er deformeret af trykket af optisk tryk, vil materialet optræde to ender af det piezoelektriske materiale. Omvendt, når et piezoelektrisk materiale er polariseret i et elektrisk felt, deformeres materialet på grund af forskydningen af ​​ladecentret.

 

Piezoelektrisk pladesensor kan generere elektriske felter på grund af mekanisk deformation og kan også generere mekanisk deformation på grund af virkningen af ​​elektriske felter. Denne iboende elektromekaniske koblingseffekt gør piezoelektriske materialer udbredt i teknik. For eksempel er piezoelektriske materialer blevet brugt til at lave smarte strukturer. Ud over selvbærende kapaciteter har sådanne strukturer også funktioner som selvdiagnose, selvtilpasning og selvhelbredelse og vil spille en vigtig rolle i fremtidens flydesign.

 

Tekniske parametre for piezoelektriske materialer:

 

Piezoelektrisk koefficient d33

 

Piezoelektrisk koefficient er konverteringskoefficienten af piezoelektrisk keramisk krystal , der omdanner mekanisk energi til elektrisk energi eller omdanner elektrisk energi til mekanisk energi, hvilket afspejler koblingsforholdet mellem de elastiske egenskaber og dielektriske egenskaber af piezoelektriske materialer

 

Fri permittivitet ε T33 (fri permittivitet)

 

Permittiviteten af ​​et dielektrikum ved nul (eller konstant) belastning, udtrykt i Farads/meter.

 

Relativ permittivitet ε Tr3 (relativ permittivitet)

 

Forholdet mellem dielektricitetskonstanten ε T33 og vakuum-dielektricitetskonstanten ε 0, ε Tr3= ε T33/ ε 0, er en dimensionsløs fysisk størrelse.

 

Dielektrisk tab (dielektrisk tab)

 

Dielektrikumet er den energi, der går tabt i dielektrikumet på grund af den elektriske polarisationsrelaksationsproces og lækageledning under påvirkning af det elektriske felt.

 

Tabsvinkel tangent tg δ (tangens af tabsvinkel)

 

Under påvirkning af et sinusformet vekslende elektrisk felt er strømmen, der flyder i et ideelt dielektrikum, 90 0 foran spændingsfasen, men i den piezoelektriske keramiske prøve, på grund af energitab, er fasevinklen ψ af strømledningen mindre end 900, og dens komplementære vinkel δ ( δ0 + ψ kaldes en fysisk dimensionsløs vinkel, som kaldes et fysisk tab 0) mængde. Folk bruger normalt tabstangenten tg δ til at repræsentere størrelsen af ​​det dielektriske tab, som repræsenterer forholdet mellem den aktive effekt (tabseffekt) P af dielektrikumet og den reaktive effekt Q . Det vil sige: elektrisk kvalitetsfaktor Qe (elektrisk kvalitetsfaktor)

 

Værdien af ​​den elektriske kvalitetsfaktor er lig med den reciproke værdi af prøvens tabstangensværdi, udtrykt ved Qe, som er en dimensionsløs fysisk størrelse. Hvis det parallelle ækvivalente kredsløb bruges til at repræsentere den piezoelektriske keramiske prøve i det vekslende elektriske felt, så Qe=1/tg δ = ω CR

 

Mekanisk kvalitetsfaktor Qm (mekanisk kvalitetsfaktor)

 

Forholdet mellem den mekaniske energi, der er lagret af piezoelektrisk pladevibrator ved resonans til den mekaniske energi tabt i en cyklus kaldes den mekaniske kvalitetsfaktor. Forholdet mellem det og oscillatorparametrene er: Poisson-forhold

 

Poissons forhold refererer til forholdet mellem lateral relativ svind og langsgående relativ forlængelse af et fast stof under spænding og er en dimensionsløs fysisk størrelse udtrykt ved δ : δ = - S 12 /S11

 

Serieresonansfrekvens fs (serieresonansfrekvens)

 

Resonansfrekvensen af ​​seriegrenen i det ækvivalente kredsløb af den piezoelektriske vibrator kaldes serieresonansfrekvensen, udtrykt ved fs ,

Parallel resonans frekvens fp (parallel resonans frekvens)

 

Resonansfrekvensen af ​​den parallelle gren i det ækvivalente kredsløb af den piezoelektriske vibrator kaldes den parallelle resonansfrekvens, repræsenteret ved fp, det vil sige fp = resonansfrekvens fr (resonansfrekvens)

 

Den lavere frekvens af et frekvenspar, der gør susceptancen af ​​den piezoelektriske vibrator nul, kaldes resonansfrekvensen, repræsenteret ved fr .

 

Antiresonansfrekvens fa (antiresonansfrekvens)

 

Den højere frekvens af et frekvenspar, der gør susceptansen af ​​den piezoelektriske vibrator nul, kaldes antiresonansfrekvensen, udtrykt ved fa .

 

Maksimal adgangsfrekvens fm (maksimal adgangsfrekvens)

 

Frekvensen, når admittansen af ​​den piezoelektriske vibrator er stor, kaldes den store adgangsfrekvens. På dette tidspunkt er vibratorens impedans lille, så det kaldes også den lille impedansfrekvens, udtrykt ved f m.

 

Lille adgangsfrekvens fn (minimum adgangsfrekvens)

 

Frekvensen, hvor admittansen af ​​den piezoelektriske vibrator er lille, kaldes den lille adgangsfrekvens. På dette tidspunkt er vibratorens impedans stor, så det kaldes også den store impedansfrekvens, udtrykt ved f n.

 

grundlæggende frekvens

 

Den lave resonansfrekvens i en given vibrationstilstand kaldes tonehøjdefrekvensen og bliver som regel grundfrekvensen.

 

Overtonefrekvens (fundamental frekvens)

 

De andre resonansfrekvenser end grundfrekvensen i en given vibrationstilstand kaldes overtonefrekvenser.

 

temperaturstabilitet

 

Temperaturstabilitet refererer til den egenskab, at ydeevnen af ​​piezoelektrisk keramik ændrer sig med temperaturen.

 

Ved en bestemt temperatur, når temperaturen ændres med 1 ° C, kaldes forholdet mellem den numeriske ændring af en bestemt frekvens og den numeriske værdi af frekvensen ved denne temperatur temperaturkoefficienten for frekvensen TKf.

 

Derudover bruges en stor relativ drift normalt til at karakterisere temperaturstabiliteten af ​​en bestemt parameter.

 

Relativt frekvensskift ved positiv temperatur = △ fs (stor positiv temperatur)/fs (25 ℃ )

 

Stort relativ frekvensskift ved negativ temperatur = △ fs (stor negativ temperatur)/fs (25 ℃ )

 

Elektromekanisk koblingskoefficient (ELECTRO MECHANICAL COUPLING COEFFICIENT)

 

Den elektromekaniske koblingskoefficient K er kvadratroden af ​​forholdet mellem den elastisk-dielektriske interaktionsenergitæthed V122 og produktet af den lagrede elastiske energitæthed VI og den dielektriske energitæthed V2.

 

Piezoelektrisk keramik bruger almindeligvis følgende fem grundlæggende koblingskoefficienter

 

A. Plan elektromekanisk koblingskoefficient KP (afspejler polariseringen og elektrisk excitation af den tynde skive langs tykkelsesretningen og er en parameter for den elektromekaniske koblingseffekt under radial strækvibration.)

 

B. Tværgående elektromekanisk koblingskoefficient K31 (parametre, der afspejler den elektromekaniske koblingseffekt af den slanke strimmel langs tykkelsesretningens polarisering og elektrisk excitation for længdestrækningsvibrationer.)

 

C. Længdegående elektromekanisk koblingskoefficient K33 (en parameter, der afspejler den tynde stangs elektromekaniske koblingseffekt langs længderetningen af ​​polarisering og elektrisk excitation for længdestrækningsvibrationer.)

 

D. Den elektromekaniske koblingskoefficient KT for tykkelsesstrækning

 

E. Elektromekanisk koblingskoefficient K15 for tykkelsesforskydning (afspejler polariseringen af ​​den rektangulære plade langs længderetningen, retningen af ​​det elektriske excitationsfelt er vinkelret på polarisationsretningen og bruges som en parameter for den elektromekaniske koblingseffekt under tykkelsesforskydningsvibration.)

 

Piezoelektrisk belastningskonstant D (PIEZOELECTRIC STRAIN CONSTANT)

 

Den piezoelektriske tøjningskonstant er forholdet mellem ændringen af ​​tøjningskomponenten SI og ændringen af ​​EI forårsaget af ændringen af ​​den elektriske feltkomponent E under den betingelse, at både spændingen T og den elektriske feltkomponent EM (M ≠ I) er konstante.

 

Piezoelektrisk spændingskonstant G (PIEZOELECTRIC VOLTAGE CONSTANT)

 

Konstanten er forholdet mellem ændringen af ​​den elektriske feltintensitetskomponent EI forårsaget af ændringen af ​​spændingskomponenten TI og ændringen af ​​TI under den betingelse, at den elektriske forskydning D og spændingskomponenten TN (N ≠ I) begge er konstante.

 

Curie temperatur TC (CURIE TEMPERATURE)

 

Piezoelektrisk keramik har kun en piezoelektrisk effekt inden for et bestemt temperaturområde. Den har en kritisk temperatur TC. Når temperaturen er højere end TC, gennemgår den piezoelektriske keramik en strukturel faseovergang. Denne kritiske temperatur TC kaldes Curie-temperaturen.

 

Temperaturstabilitet (TEMPERATURE STABILITY)

 

Henviser til karakteristika for udførelsen af piezoelektriske keramiske transducere , der ændrer sig med temperaturen. Generelt er der to metoder til at beskrive temperaturstabilitet: temperaturkoefficient eller stor relativ drift.

 

Ti gange ældningshastighed (AGEING RATE PER DECADE) Y repræsenterer en bestemt parameter

 

Frekvenskonstant (FREKVENS KONSTANT)

 

For de radiale og tværgående længdestrækkende vibrationstilstande er frekvenskonstanten produktet af serieresonansfrekvensen og elementdimensionen (diameter eller længde), der bestemmer denne frekvens. For langsgående længdetykkelse og stretching shear vibrationstilstande er frekvenskonstanten produktet af parallelresonansfrekvensen og vibratorstørrelsen (længde eller tykkelse), der bestemmer denne frekvens, og dens enhed: HZ.M