Johdatus pietsosähköisiin materiaaleihin ja teknisiin parametreihin

Pietsosähköinen materiaali pietsokeramiikka ovat kiteisiä materiaaleja, jotka synnyttävät jännitteen kahden päiden väliin painettaessa. Vuonna 1880 ranskalaiset fyysikot P. Curie ja J. Curien veljekset havaitsivat, että kun raskas esine asetetaan kvartsikiteen päälle, jotkut kiteen pinnat synnyttävät varauksia ja varauksen määrä on verrannollinen paineeseen. Tätä ilmiötä kutsutaan pietsosähköiseksi efektiksi. Välittömästi tämän jälkeen Curien veljekset havaitsivat käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen, eli pietsosähköisen kappaleen muoto muuttuu ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta. Pietsosähköisen vaikutuksen mekanismi on: pietsosähköisellä kiteellä on alhainen symmetria. Kun se muuttaa muotoaan ulkoisen voiman vaikutuksesta, positiivisten ja negatiivisten ionien suhteellinen siirtymä yksikkökennossa saa aikaan sen, että positiiviset ja negatiiviset varauskeskukset eivät enää mene päällekkäin, mikä johtaa kiteen makroskooppiseen polarisaatioon, kun taas kiteen pintavarauksen pintatiheys on yhtä suuri kuin polarisaation intensiteetin projektio pinnan normaalisuunnassa, joten kun pietsosähköisen materiaalin päissä esiintyy muodonmuutoksia kahden paineen etumerkillä. pietsosähköinen materiaali. Kääntäen, kun pietsosähköinen materiaali polarisoituu sähkökentässä, materiaali deformoituu varauskeskuksen siirtymän vuoksi.

 

Pietsosähköinen levyanturi voi tuottaa sähkökenttiä mekaanisen muodonmuutoksen vuoksi, ja se voi myös tuottaa mekaanista muodonmuutosta sähkökenttien vaikutuksesta. Tämä luontainen sähkömekaaninen kytkentävaikutus tekee pietsosähköisistä materiaaleista laajalti käytettyjä tekniikassa. Pietsosähköisiä materiaaleja on käytetty esimerkiksi älykkäiden rakenteiden valmistukseen. Itsekantavien ominaisuuksien lisäksi tällaisilla rakenteilla on myös toimintoja, kuten itsediagnostiikka, itsesopeutuminen ja itsekorjaus, ja niillä on tärkeä rooli tulevaisuuden lentokoneiden suunnittelussa.

 

Pietsosähköisten materiaalien tekniset parametrit:

 

Pietsosähköinen kerroin d33

 

Pietsosähköinen kerroin on muuntokerroin pietsosähköinen keramiikkakide , joka muuntaa mekaanisen energian sähköenergiaksi tai muuntaa sähköenergian mekaaniseksi energiaksi, mikä kuvastaa pietsosähköisten materiaalien elastisten ominaisuuksien ja dielektristen ominaisuuksien välistä kytkentäsuhdetta

 

Vapaa permittiivisyys ε T33 (vapaa permittiivisyys)

 

Eristeen permittiivisyys nolla (tai vakio) jännityksessä, ilmaistuna Faradeina/metri.

 

Suhteellinen permittiivisyys ε Tr3 (suhteellinen permittiivisyys)

 

Dielektrisyysvakion ε T33 suhde tyhjiön dielektrisyysvakioon ε 0, ε Tr3= ε T33/ ε 0, on dimensioton fysikaalinen suure.

 

Dielektrinen häviö (dielektrinen häviö)

 

Dielektri on energia, joka häviää eristeessä sähköisen polarisaation relaksaatioprosessin ja vuodon johtumisen vuoksi sähkökentän vaikutuksesta.

 

Häviökulman tangentti tg δ (häviökulman tangentti)

 

Sinimuotoisen vaihtuvan sähkökentän vaikutuksesta ideaalisessa eristeessä kulkeva virta on 90 0 jännitevaihetta edellä, mutta pietsosähköisessä keraamisessa näytteessä virtajohdon vaihekulma ψ on energiahäviön vuoksi pienempi kuin 900 ja sen komplementtikulma δ ( δ + ψ =900), jota kutsutaan häviöttömäksi suureksi. Ihmiset käyttävät yleensä häviötangenttia tg δ edustamaan dielektrisen häviön suuruutta, joka edustaa eristeen pätötehon (häviötehon) P suhdetta loistehon Q . Eli: sähköinen laatutekijä Qe (sähköinen laatutekijä)

 

Sähköisen laatutekijän arvo on yhtä suuri kuin näytteen häviötangentin arvon käänteisluku, joka ilmaistaan ​​Qe:llä, joka on dimensioton fysikaalinen suure. Jos rinnakkaisekvivalenttipiiriä käytetään edustamaan pietsosähköistä keraaminäytettä vaihtuvassa sähkökentässä, niin Qe=1/tg δ = ω CR

 

Mekaaninen laatutekijä Qm (mekaaninen laatutekijä)

 

Mekaanisen energian suhde, jonka varastoi Pietsosähköistä levyvärähtelijää , jonka resonanssi on menetetty yhdessä syklissä mekaaniseen energiaan, kutsutaan mekaaniseksi laatutekijäksi. Sen ja oskillaattorin parametrien välinen suhde on: Poissons-suhde

 

Poissonin suhde viittaa jännityksen alaisen kiinteän aineen lateraalisen suhteellisen kutistumisen ja pitkittäisen suhteellisen venymän suhdetta, ja se on mittaton fysikaalinen suure ilmaistuna δ : δ = - S 12 /S11

 

Sarjaresonanssitaajuus fs (sarjaresonanssitaajuus)

 

Sarjahaaran resonanssitaajuutta pietsosähköisen vibraattorin ekvivalenttipiirissä kutsutaan sarjaresonanssitaajuudeksi, joka ilmaistaan ​​fs:llä,

Rinnakkaisresonanssitaajuus fp (rinnakkaisresonanssitaajuus)

 

Pietsosähköisen vibraattorin ekvivalenttipiirin rinnakkaishaaran resonanssitaajuutta kutsutaan rinnakkaisresonanssitaajuudeksi, jota edustaa fp, eli fp = resonanssitaajuus fr (resonanssitaajuus)

 

Taajuusparin alempaa taajuutta, joka tekee pietsosähköisen värähtelijän susseptanssin nollaksi, kutsutaan resonanssitaajuudeksi, jota edustaa fr .

 

Antiresonanssitaajuus fa (antiresonanssitaajuus)

 

Taajuusparin korkeampaa taajuutta, joka tekee pietsosähköisen värähtelijän susseptanssin nollaksi, kutsutaan antiresonanssitaajuudeksi, joka ilmaistaan ​​fa :lla.

 

Suurin sisäänpääsytaajuus fm (maksimipääsytaajuus)

 

Taajuutta, jossa pietsosähköisen vibraattorin sisääntulo on suuri, kutsutaan suureksi sisäänpääsytaajuudeksi. Tällä hetkellä värähtelijän impedanssi on pieni, joten sitä kutsutaan myös pienen impedanssin taajuudeksi, joka ilmaistaan ​​f m:llä.

 

Pieni sisäänpääsytaajuus fn (minimipääsytaajuus)

 

Taajuutta, jolla pietsosähköisen vibraattorin sisäänpääsy on pieni, kutsutaan pieneksi sisäänottotaajuudeksi. Tällä hetkellä värähtelijän impedanssi on suuri, joten sitä kutsutaan myös suureksi impedanssiksi, joka ilmaistaan ​​f n:llä.

 

perustaajuus

 

Pientä resonanssitaajuutta tietyssä värähtelytilassa kutsutaan äänenkorkeustaajuudeksi, ja siitä tulee yleensä perustaajuus.

 

Ylisäveltaajuus (perustaajuus)

 

Muita resonanssitaajuuksia kuin perustaajuutta tietyssä värähtelytilassa kutsutaan yliäänitaajuuksiksi.

 

lämpötilan stabiilisuus

 

Lämpötilan stabiilisuus viittaa ominaisuuteen, että pietsosähköisen keramiikan suorituskyky muuttuu lämpötilan mukaan.

 

Tietyssä lämpötilassa, kun lämpötila muuttuu 1 ° C, tietyn taajuuden numeerisen muutoksen suhdetta taajuuden numeeriseen arvoon tässä lämpötilassa kutsutaan taajuuden lämpötilakertoimeksi TKf.

 

Lisäksi suurella suhteellisella poikkeamalla käytetään yleensä karakterisoimaan tietyn parametrin lämpötilastabiilisuutta.

 

Suhteellinen taajuusmuutos positiivisessa lämpötilassa = △ fs (suuri positiivinen lämpötila)/fs (25 ℃ )

 

Suuri suhteellinen taajuusmuutos negatiivisessa lämpötilassa = △ fs (suuri negatiivinen lämpötila)/fs (25 ℃ )

 

Sähkömekaaninen kytkentäkerroin (ELECTRO MECHANICAL COUPLING COEFFICIENT)

 

Sähkömekaaninen kytkentäkerroin K on neliöjuuri elastisen dielektrisen vuorovaikutuksen energiatiheyden neliön V122 suhteesta varastoidun elastisen energiatiheyden V1 ja dielektrisen energiatiheyden V2 tuloon.

 

Pietsosähköisessä keramiikassa käytetään yleensä seuraavia viittä peruskytkentäkerrointa

 

A. Taso sähkömekaaninen kytkentäkerroin KP (heijastaa ohuen kiekon polarisaatiota ja sähköistä viritystä paksuussuunnassa ja on sähkömekaanisen kytkentävaikutuksen parametri säteittäisen venytysvärähtelyn aikana.)

 

B. Poikittaissuuntainen sähkömekaaninen kytkentäkerroin K31 (parametrit, jotka heijastavat hoikan nauhan sähkömekaanista kytkentävaikutusta paksuussuuntaisen polarisoinnin ja pituuden venytysvärähtelyn sähköisen virityksen mukaan.)

 

C. Pituussuuntainen sähkömekaaninen kytkentäkerroin K33 (parametri, joka heijastaa ohuen sauvan sähkömekaanista kytkentävaikutusta polarisaation ja sähköisen virityksen pituussuunnassa pituutta venyttävälle värähtelylle.)

 

D. Paksuusvenytyksen sähkömekaaninen kytkentäkerroin KT

 

E. Paksuusleikkaussähkömekaaninen kytkentäkerroin K15 (heijastaa suorakaiteen muotoisen levyn polarisaatiota pituussuunnassa, virityksen sähkökentän suunta on kohtisuorassa polarisaatiosuuntaan nähden, ja sitä käytetään parametrina sähkömekaaniselle kytkentävaikutukselle paksuusleikkausvärähtelyn aikana.)

 

Pietsosähköinen jännitysvakio D (PIEZOELECTRIC STRAIN CONSTANT)

 

Pietsosähköinen jännitysvakio on jännityskomponentin SI muutoksen suhde sähkökentän komponentin E muutoksen aiheuttamaan EI muutokseen, kun sekä jännitys T että sähkökenttäkomponentti EM (M ≠ I) ovat vakioita.

 

Pietsosähköinen jännitevakio G (PIEZOELECTRIC VALLAGE CONSTANT)

 

Vakio on jännityskomponentin TI muutoksen aiheuttaman sähkökentän intensiteettikomponentin EI muutoksen suhde TI muutokseen sillä ehdolla, että sähkösiirtymä D ja jännityskomponentti TN (N ≠ I) ovat molemmat vakioita.

 

Curie-lämpötila TC (CURIE TEMPERATURE)

 

Pietsosähköisellä keramiikalla on pietsosähköinen vaikutus vain tietyllä lämpötila-alueella. Sillä on kriittinen lämpötila TC. Kun lämpötila on korkeampi kuin TC, pietsosähköinen keramiikka käy läpi rakenteellisen faasimuutoksen. Tätä kriittistä lämpötilaa TC kutsutaan Curie-lämpötilaksi.

 

Lämpötilan vakaus (TEMPERATURE STABILITY)

 

Viittaa suorituskyvyn ominaisuuksiin pietsosähköiset keraamiset muuntimet , jotka muuttuvat lämpötilan mukaan. Yleensä on olemassa kaksi menetelmää lämpötilan stabiiliuden kuvaamiseen: lämpötilakerroin tai suuri suhteellinen ryömintä.

 

Kymmenenkertainen ikääntymisnopeus (vanhenemisnopeus 10 vuotta) Y edustaa tiettyä parametria

 

Taajuusvakio (FREQUENCY CONSTANT)

 

Säteittäisessä ja poikittaisessa pituutta venyttävässä värähtelytilassa taajuusvakio on sarjaresonanssitaajuuden ja tämän taajuuden määräävän elementin mittasuhteen (halkaisija tai pituus) tulo. Pitkittäispituuspaksuus- ja venytysleikkausvärähtelytiloissa taajuusvakio on rinnakkaisresonanssitaajuuden ja tämän taajuuden määräävän värähtelijän koon (pituus tai paksuus) tulo ja sen yksikkö: HZ.M