Pietsosähköisen keramiikan tärkeät sovellukset

                           Pietsosähköisen keramiikan tärkeät sovellukset

Pietsosähköistä keramiikkaa on käytetty laajalti sen pietsosähköisyyden ja pietsosähköisyyden aiheuttamien sähkömekaanisten ominaisuuksien monimuotoisuuden vuoksi. Pietsosähköisten keraamisten laitteiden laajan valikoiman ja niiden laajan käyttöalueen vuoksi niitä on vaikea luokitella tarkasti yksinkertaisella menetelmällä. Yleiset sovellukset voidaan jakaa laajasti kahteen luokkaan: pietsosähköiset vibraattorit ja pietsosähköiset muuntimet.

1. Muunnin

Pietsosähköisen efektin soveltaminen on vaihtelevaa, ja yksi tärkeimmistä on käyttää sen muuntimen s ominaisuuksia  . Sen energiaksi energian muunnosominaisuus , sähkön  vaikutus  kohdistetaan pietsosähköiseen keramiikkaan, sähköenergia voidaan muuntaa mekaaniseksi käänteisen jännitevaikutuksen kautta; Sähkövaikutus muuttaa mekaanisen energian sähköenergiaksi. Ihmiset käyttävät tätä pietsosähköisen keramiikan fyysistä ominaisuutta valmistaakseen monenlaisia ​​pietsosähköisiä laitteita, joita käytetään laajalti vedenalaisessa viestinnässä, ultraäänessä, suurjännitesytytyksessä ja muilla aloilla.

1, Pietsosähköinen keraaminen sytytin

Tämä on laite, joka muuntaa mekaanisen voiman sähkökipinöiksi sytyttääkseen palavat aineet. Se on sähkömekaaninen muunnin. Vuonna 1958 hän aloitti bariumtitanaattikeramiikan (BaTiO3) pietsosähköisen vaikutuksen käytön sytytyksessä. Tämän syttymisnopeus pietsosauva ei ole korkea ja melu on suuri. Vuonna 1962 lyijyzirkonaattititanaatti (PZT) pietsosähköistä keramiikkaa käytettiin sytyttimien valmistukseen. Tällaista sytytintä käytetään laajalti jokapäiväisessä elämässä, teollisessa tuotannossa ja sotilasasioissa, ja sitä käytetään kaasujen, erilaisten räjähteiden ja rakettien sytyttämiseen ja räjäyttämiseen.

(1) Perusperiaate: Sytyttimen työprosessi on jaettu kolmeen vaiheeseen: korkeajännitteen generointi, purkaussytytys ja palavan kaasun sytytys. Korkean jännitteen generointi - Otetaan esimerkiksi lieriömäiset pietsosähköiset keraamiset elementit, kun mekaaninen voima F vaikuttaa sylinteriin, kide vääristyy, jolloin kiteen positiivisten ja negatiivisten varausten keskipiste siirtyy, jolloin sylinterin ylä- ja alapinnalle kertyy suuri määrä vapaita varauksia, se tuottaa korkean jännitteen. Lähtöjännite on: V=ga3Fh/A, jossa A——sylinterin poikkipinta-ala; h—-sylinterin korkeus; ga3——pietsosähköinen jännitevakio. Purkaussytytys - laita pietsosähköinen keraaminen elementti suljettuun piiriin ja jätä oikea rako. Kun jännite nousee raon purkausjännitteeseen, syntyy purkauskipinä rakoon. Palavan kaasun sytytys - yleistä polttokaasua ei ole helppo polttaa, joten pääosin käytetään helposti kaasutettavaa etaania. Purkausajan pidentämiseksi ja kipinän liian nopean sammumisen estämiseksi lisää syttymisnopeutta. Purkauspäähän voidaan kytkeä sarjaan sopiva vastus.

 

(2) Sytyttimen rakenne ja toimintaperiaate , tässä on monenlaisia ​​sytyttimiä, ja kotitalouksien pietsosähköinen sytytin on otettu esimerkkinä havainnollistamaan sen rakennetta ja toimintaperiaatetta. Se voidaan kiinnittää kotitalouksien liesiin sytyttääkseen kaasun, kääntää nokkakytkintä, käyttää  nokan ulkonevaa osaa iskukappaleen työntämiseen ja puristaa iskukappaleen takana olevaa jousta. Kun nokan ulkoneva osa irtoaa iskukappaleesta jousen elastisen voiman vuoksi, iskukappale antaa pietsokeraamiseen  pietsosähköiseen elementtiin .iskuvoiman, joka synnyttää korkean jännitteen pietsosähköisen elementin molemmissa päissä ja tuottaa korkean jännitteen keskielektrodista sähkökipinän synnyttämiseksi kaasun sytyttämiseksi.

 

2. Vedenalainen akustinen anturi

Vedenalainen akustinen kaikuanturi on kaikuanturi, jota käytetään vedenalaiseen viestintään ja havaitsemiseen. Ihmiset tietävät, että ilmaviestintä ja ilmaisu perustuvat pääasiassa sähkömagneettisiin aaltoihin, kuten radioviestintään ja tutkalaitteisiin jne., kaikki riippuvat sähkömagneettisista aalloista tiedon välittämiseksi ilmassa. Sähkömagneettisia aaltoja ei ole mahdollista käyttää vedenalaiseen viestintään ja havaitsemiseen. Tämä johtuu siitä, että sähkömagneettisilla aalloilla on suuri etenemishäviö vedessä, ja joku, joka ei matkusta kauas, absorboi ne. Ääniaaltojen etenemishäviö vedessä on kuitenkin hyvin pieni, joten vedenalainen viestintä ja havaitseminen käyttävät pääasiassa Ääniaaltoja käytetään tiedon välittämiseen, ja ääniaaltoja tuottavia ja havaitsevia instrumentteja kutsutaan luotainjärjestelmiksi. Luotainjärjestelmät ovat välttämättömiä työkaluja vedenalaiseen navigointiin, viestintään, sukellusveneiden ja kalaparvien havaitsemiseen sekä merentutkimukseen. Ihmiset vertaavat luotainta vedessä ilmassa olevaan tutkaan, ja luotainjärjestelmän silmät ja korvat ovat vedenalaisia ​​akustisia antureita. Vedenalaisten akustisten muuntimien tutkimus alkoi ensimmäisessä maailmansodassa. Ranskalainen Langevin käytti kvartsikiteitä ensimmäisen kerran pietsosähköiseen vaikutukseen perustuvien vedenalaisten akustisten muuntimien valmistamiseen. Vaikka Lang Zhiwanin luomaa vedenalaista akustista anturia rajoittavat tuolloin tekniset olosuhteet, eikä sitä varsinaisesti käytetty syvänmeren sukellusveneissä, se vaikutti merkittävästi vedenalaisen akustiikan kehitykseen tulevaisuudessa. Langevin-anturi käyttää kvartsikiteen käänteistä jännitevaikutusta ääniaaltojen lähettämiseen veteen, pietsokeramiikkaputki vastaanottaa vedestä palautetut ääniaallot positiivisen jännitevaikutuksen kautta ja suorittaa joitakin vedenalaisia ​​mittauksia pulssiääniaaltojen edestakaisin liikkumisajan mukaan.

Ihmiset ovat tehneet syvällistä ja systemaattista tutkimusta aiheesta Pietsosähköiset vedenalaiset akustiset muuntimet , jotka tekevät niistä käytännöllisiä. Tärkeimmät tuolloin käytetyt pietsosähköiset materiaalit olivat kuitenkin vesiliukoisia pietsosähköisiä kiteitä - Rochen suolaa ja kaliumdioksifosfaattia. Pietsosähköinen keramiikka ilmestyi 1950-luvun lopulla. Vedenalaisten akustisten muuntimien valmistamisesta pietsosähköisestä keramiikasta on tullut lähes ihmisten valitsema tärkein pietsosähköinen materiaali. Koska sillä on monia ominaisuuksia, joita pietsosähköisillä kiteillä ei aiemmin ollut, siitä on tullut ihanteellisin pietsosähköinen materiaali vedenalaisten akustisten muuntimien valmistukseen, eikä ole muuta materiaalia, joka voisi vastata sitä. Pietsosähköisten keraamisten vedenalaisten akustisten muuntimien tärkeimmät edut ovat:

(1) DC-esijännitettä ja käämiä ei tarvita, tärinäjärjestelmä on yksinkertainen;

(2) Pietsosähköinen keraaminen muunnin on kooltaan pieni ja sillä on erinomaiset ominaisuudet;

(3) Pietsosähköiset keraamiset muuntimet voidaan tehdä mihin tahansa muotoon tarpeen mukaan.

Pietsosähköiset muuntimet ovat laajimmin käytetty anturityyppi vedenalaisessa akustisessa tekniikassa. Vedenalaisten akustisten muuntimien suorituskykyindikaattoreissa tarvitsee olla vain toimintataajuus, sähkömekaaninen kytkentäkerroin, sähkömekaaninen muunnoskerroin, laatutekijä, taajuusominaisuudet, impedanssiominaisuudet, suuntaominaisuudet, amplitudiominaisuudet, lähetysherkkyys, vastaanottoherkkyys, lähettimen teho, lämpötila- ja aikastabiilisuus-ominaisuudet, mekaaninen lujuus ja paino jne. tilaisuudessa, vaan esittää erilaisia ja edustavia indeksivaatimuksia sen käytön ja käyttötilanteen mukaan.

Toiseksi pietsosähköinen vibraattori

ilmestymisen jälkeen PZT pietsosähköinen keramiikka , on mahdollista tehdä keraamisia suodattimia. Eritaajuisia keraamisia suodattimia voidaan valmistaa käyttämällä pietsosähköisten vibraattoreiden eri värähtelytiloja. Varhaisin käytetty värähtelytila ​​on säteittäinen värähtely tai ääriviivavärähtely, mikä tekee 455 kHz:n suodattimen. Myöhemmin keraamisten suodattimien taajuus kehittyi molempiin päihin, ylimmän pään saavuttaessa 10 MHz ja alemman taajuuden alle 1 kHz. Energialoukkutilan soveltamisesta johtuen keraamisen suodattimen taajuus on jopa 100MHz, interdigitaalisen muuntimen virittämä pinta-akustinen aaltosuodatin on saavuttanut yli 1 GHz:n ja substraattina pietsosähköistä keramiikkaa käyttävän pinta-akustisen aaltosuodattimen korkein taajuus on ollut jopa 630 MHz.

Pietsosähköinen muuntaja on myös käyttötarkoituksensa suhteen värähtelijä, ja sen perusrakenne on asettaa kaksi elektrodisarjaa pietsosähköiseen keraamiseen runkoon muodostamaan neljä liitintä. Sähköisen signaalin lisääminen ensiöpuolelle saa sen resonoimaan, ja toisiopuolella on lähtö. Tällä tavalla se toimii muuntajana resonanssin aikaan. Pietsosähköisten muuntajien tutkimus alkoi aiemmin. Monoliittikeramiikasta valmistettujen pietsosähköisten muuntajien tehoa ja käyttöjännitettä ei ole helppo lisätä. Monikerroksinen pietsosähköinen muuntaja on valmistettu samalla monikerroksisella komposiittitekniikalla kuin monoliittisten kondensaattoreiden valmistustekniikka, ja sen tehoa ja käyttöjännitettä on parannettu huomattavasti, mikä laajentaa entisestään pietsosähköisen muuntajan käyttöaluetta.

 

1. Pietsosähköinen muuntaja

Pietsosähköisiä muuntajia on kehitetty 1950-luvulta lähtien. Tuolloin päämateriaalina käytettiin bariumtitanaattia. Tehostussuhde on alhainen (vain 50-60 kertaa). Lähtöjännite on noin 3000V. Lyijyzirkonaattititanaattipietsosähköisten keraamisten materiaalien ilmaantumisen myötä tehostussuhde kasvaa 300–500-kertaiseksi, ja sitä käytetään vähitellen televisioissa, sähköstaattisissa kopiokoneissa ja negatiivisten ionien generaattoreissa suurjännitevirtalähteinä.

(1) Perusperiaatteet. Pietsosähköiseen keramiikkaan syötetty sähköinen värähtelyenergia muunnetaan mekaaniseksi värähtelyenergiaksi käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen kautta ja muunnetaan sitten sähköenergiaksi positiivisen pietsosähköisen vaikutuksen kautta. Impedanssimuunnos (pienestä impedanssista korkeaan impedanssiin) toteutetaan näiden kahden energiamuunnoksen aikana, joten keraamisen levyn resonanssitaajuudella voidaan saavuttaa suuri pietsosähköinen teho. Otetaan nyt esimerkkinä vaaka- ja pystysuuntaiset muuntajat venytysvärähtelyllä havainnollistamaan muuntajien periaatetta.

 

Koko keraaminen siru on jaettu kahteen osaan, vasen osa on tulopää (tunnetaan myös käyttöosana), ylä- ja alapuolella on poltetut hopeaelektrodit, jotka on polarisoitu paksuussuunnassa, oikea osa on lähtöpää (tunnetaan myös sähköntuotantoosana) ja oikea osa on lähtöpää (tunnetaan myös sähköntuotantoosana). Pinnalla on palaneet hopeaelektrodit. Polarisoitunut koko pituudeltaan. Kun tulopäähän syötetään vaihtojännite, käänteisjännitevaikutuksen vuoksi keraaminen kappale tuottaa venyvää värähtelyä pituussuunnassa, mikä muuntaa syötetyn sähköenergian mekaaniseksi energiaksi; kun taas sähköntuotantoosa muuttaa mekaanisen energian sähköenergiaksi positiivisen jännitevaikutuksen kautta ja siirtää sen sitten lähtöpäästä Lähtöjännite. Kun kuormaa ei ole, avoimen piirin tehostussuhde, Qm on materiaalin mekaaninen laatutekijä; K31, K33 ovat materiaalin pituus- ja poikittaiset sähkömekaaniset kytkentäkertoimet; L on sähköntuotantoosan pituus; t on muuntajan paksuus. Pietsosähköisiä muuntajia käytetään pääasiassa korkean jännitteen, pienen tehon ja siniaaltomuunnoksen tapauksessa, ja niillä on ainutlaatuisia etuja, kuten korkea lähtöjännite, keveys, pieni koko, ei vuotoa magneettikenttää ja ei palamista. Useiden jännitelähtöjen saamiseksi vaaka-pystymuuntajan lähtöjännite on verrannollinen pituuteen, mitä lähempänä tehontuotantoosan loppua, sitä korkeampi jännite, ja elektrodit voidaan valmistaa sähköntuotantoosan eri asentoihin akselipäiksi eri jännitelähtöjen saamiseksi.

 

(2) Monoliittisten (monikerroksisten) pietsosähköisten keraamisten muuntajien toimintaperiaate ja ominaisuudet. Pietsosähköinen keramiikka on hauras materiaali. Mekaanisen lujuuden varmistamiseksi pietsosähköisellä muuntajalla on oltava tietty paksuus, ja edellä mainitun muuntajan käyttöjännite on melko rajallinen. Tästä syystä monoliittinen (monikerroksinen) pietsosähköinen keraaminen muuntajaprojekti syntyi. Monoliittisen (monikerroksisen) rakenteen käyttöönoton jälkeen kunkin yksittäisen kerroksen paksuutta ja kerrosten lukumäärää voidaan säätää, eikä käyttöjännite ole enää rajoitettu, joten jännite voidaan tehdä Sähkömuuntajat voivat toimia parhaassa tilassa riippumatta siitä, missä käyttöjännitteessä ne ovat.

Tämän projektin ydinteknologiat ovat submikronisia matalassa lämpötilassa sintrattuja pietsosähköiset keraamiset materiaalit , sisäisten elektrodien rinnakkaispolttotekniikka, polarisaatiokäsittelytekniikka ja rakennesuunnittelu. Monoliittinen (monikerroksinen) pietsosähköiset keraamiset muuntajat (MPT) ovat kolmannen sukupolven elektronisia muuntajia, joilla on seuraavat ominaisuudet.

① Erittäin ohut: paksuus ei yleensä ylitä 4 mm.

②Korkea muunnostehokkuus: yli 97 % täydellä kuormalla (resistiivinen kuorma).

③ Siinä on itsesuojaominaisuus, joka katkaisee automaattisesti kuorman oikosulun.

④Resonanssimuuntaja: Se voi toteuttaa nollajännitteen ja nollavirran muuntamisen.

⑤ Sillä on lähes vakiovirtalähtöominaisuudet pieniimpedanssisia kuormia varten.

⑥ Ei käänteistä huippujännitettä, tehovahvistinpiirin luotettava suojaus.

⑦ Ei sähkömagneettisia häiriöitä.

⑧ Ei kelan hajoamista, homeen rikkoutumista.

⑨Suolasumun kestävyys, hyvä säänkestävyys, sopii erityisesti käytettäväksi meri-ilmastossa.

 

2. Pietsosähköinen keraaminen mikrofoni ja kaiutin

Pietsosähköisiä keraamisia muuntimia käytetään laajalti sähköakustisissa laitteissa, kuten pietsosähköisissä keraamisissa mikrofoneissa ja kaiuttimissa.

(1) Kaksikalvoinen tärytin (Kuva 6-16). Sähköakustiset laitteet vaativat alhaisen mekaanisen impedanssin ja voivat vastata ääni- tai värähtelylähdettä, ja kaksikalvoinen pietsosähköinen vibraattori voi täyttää nämä vaatimukset. Se on valmistettu kahdesta pietsosähköisestä keraamisesta levystä, jotka ovat venyviä pituudeltaan. Kun yhtä kappaletta venytetään, toinen kappale lyhenee ja koko taipuu.

 

Se antaa kaksikalvoisen täryttimen toimintaperiaatteen. Kun tietyn paksuista pietsosähköistä keramiikkaa taivutetaan voimalla, sen paksuuden toinen puoli venyy ja toinen puoli puristuu kokoon. Tällä hetkellä keraamisen kappaleen sisällä syntyy varauksia. , mutta koska koko kalvon polarisaatiosuunta on sama, yläpuoli on pitkänomainen ja alapuoli puristettu, jolloin sähköinen dipolimomentti on vastakkainen, ja ylä- ja alapuolella on sama varausmerkki, joten potentiaalieroa ei ole, kuten kuvassa 6-16 (a ) näkyy. Jos sen sijaan käytetään kaksoiskalvorakennetta, jossa on kaksi päällekkäistä levyä, voidaan saada jännitelähtö, kun voimaa taivutetaan. Kuvassa 6-16(b) käytetään kahta sarjaan kytkettyä kalvoa, joiden polarisaatiosuunnat ovat vastakkaiset. Kun voimaa kohdistetaan, ylempi venyy ja alempi puristuu. Koska polarisaatiosuunnat ovat vastakkaiset, kaksoiskalvon ylä- ja alapuolet latautuvat vastakkaisilla etumerkeillä ja saadaan aikaan jännitelähtö. Kuva 6-16(c) on muodostettu kytkemällä kaksi saman polarisaatiosuunnan omaavaa kalvoa rinnakkain ja saadaan myös lähtöjännite.

 

(2) Pietsosähköisen keraamisen kaiuttimen rakenne ja toimintaperiaate: Pietsosähköinen keraaminen kaiutin on yksinkertainen ja kevyt sähköakustinen laite, jolla on korkea herkkyys, ei magneettikentän leviämistä, ei tarvita kuparijohtoja ja magneetteja, alhaiset kustannukset, alhainen virrankulutus, helppo korjata, helppo massatuotanto jne.

Sen käyttöjärjestelmä on pietsosähköinen keraaminen kaksoiskalvo, tärinäjärjestelmä on paperikartio ja kytkentäelementti siirtää tehokkaasti käyttöjärjestelmän energiaa tärinäjärjestelmään. Työskennellessään pietsosähköiseen keraamiseen kaksoiskalvoon lisätty sähköenergia muunnetaan mekaaniseksi energiaksi, joka välittyy paperikartioon kytkentäelementin kautta saadakseen sen värisemään ja ääneen. Pietsosähköisellä kaksoiskalvolla on suhteellisen korkea impedanssi, joka muodostaa jännitekäytön. Voiman F ja jännitteen V välinen suhde on F=KV ja K on suhteellinen kerroin. Jos värähtelyn mekaaninen impedanssi mukaan lukien säteilyimpedanssi on Z, värähtelynopeus on: v=F/Z, voidaan saada äänenpaine P korkean kalvon keskellä r. |P|=10fρS/r |v| missä: f – taajuus; ρ - keskitiheys; S - nikamarungon tehollinen alue. Lisäksi pietsosähköisen keramiikan pietsosähköisen vaikutuksen mukaan voidaan valmistaa muita sähköakustisia energiamuuntimia, kuten lähettimiä, vastaanottimia, summereita jne....