Paraiméadair ábhair PZT agus cothromóidí piezoelectric (2）

Dara, na paraiméadair piezoelectric

3. Tá caidreamh casta idir paraiméadair piezoelectric na n-ábhar piezoelectric, mar shampla e = dE agus E = -he mar a thuairiscítear thuas. I gcomparáid leo is cosúil a thabhairt d = -1 / h, ach nach bhfuil sé fíor i gcleachtas. Toisc go dtugtar an chéad cheann faoi choinníoll τ = 0, agus go dtugtar an dara ceann faoi choinníoll I = 0, ní féidir comparáid shimplí den sórt sin a dhéanamh go ginearálta. Ina theannta sin, is criostail piezo anisotrópacha iad ábhair piezoelectric, agus athraíonn a n-airíonna leictreacha, meicniúla agus leictrimheicniúla de réir treo na foinse excitation leictreach nó meicniúil. Mar sin, tá go leor paraiméadair meicniúla (τ, e, c, s), paraiméadair leictreacha (E, D, ε, β) agus paraiméadair piezoelectric (d, g, i, h) ceangailte leis an bhfórsa agus an leictreachas. A tensor de chomhpháirteanna. tá sé chomhpháirt neamhspleácha ag τ agus e, agus ansin tá 36 chomhpháirt ag c agus s; Tá trí chomhpháirt neamhspleácha ag E agus D, ansin tá 9 gcomhpháirt ag ε agus β. Mar shampla, baineann gach comhpháirt e le trí chomhpháirt E: tá an fadú coibhneasta e1 (△ l / l) sa treo X bainteach leis na comhpháirteanna E1, E2, agus E3 den veicteoir neart réimse sna trí threo X, Y, agus Z. . Dá bhrí sin, is é an gaol bunaidh e = dE i ndáiríre: e1 = d11E1 + d21E2 + d31E3
Baineann na trí ghnáth-thraing ais (e1, e2, e3) agus trí thréith lomadh neamhspleách (e4, e5, e6) le E san fhoirm seo, mar sin tá an comhéifeacht d 3x6 = 18 comhpháirt, mar sin freisin e23E2 + d23E2 + e3 = d13E1 + d23E2 + d33E3, e4 = d14E1 + d24E2 + d34E3, e5 = d15E1 + d25E2 + d35E3, e6 = d16E1 + d26E2 + d36E3.
Ciallaíonn sé seo go bhfuil gach ceann de na ceithre tairisigh piezoelectric de Tá baint ag fáinne piezo ábhar PZT le trí chomhpháirt leictreacha agus sé chomhpháirt meicniúla, agus mar sin tá 18 comhpháirt ag gach ceann acu. Sa mhodh slonn, tá sé in iúl de ghnáth i subscript na siombail paraiméadar, mar shampla dij, léiríonn i treo na cainníochta leictrigh (réimse leictreach nó díláithriú leictreach) comhpháirt (tá trí threoir); j ionann an chainníocht mheicniúil (strus nó brú). Mar sin féin, toisc go bhfuil siméadracht áirithe ag gach ábhar piezoelectric, ní fhéadfaidh na comhpháirteanna seo go léir a bheith ann go neamhspleách, d'fhéadfadh cuid a bheith nialasach, agus d'fhéadfadh cuid a bheith comhionann lena chéile nó gaolmhar i gcaidreamh áirithe, agus mar sin tá i bhfad níos lú comhpháirteanna neamhspleácha i ndáiríre. Ní bhíonn ach cúpla comhpháirt i gceist le criostail piezo ar leith agus níl sé casta a ríomh go praiticiúil. De ghnáth is féidir líon na gcomhpháirteanna neamhspleácha a laghdú go dtí tensor leaisteacha amháin, tensor tréleictreach amháin, agus tensor piezoelectric amháin chun airíonna an ábhair piezoelectric a chinneadh. I bhfeidhmchláir phraiticiúla, tá roinnt comhpháirteanna ar nós 'd31', 'd33' agus 'd15'. Is é an príomh-iarratas i dteicneolaíocht braite ultrasonaic an tonnchrith tiús i dtreo polaraithe an chomhlachta piezoelectric (arna shainmhíniú mar an tríú treo nó an treo Z). Mar sin, is é paraiméadar na bparaiméadar excitation agus athraithe sa treo polaraithe seo ná 'd33', Mar shampla d33, g33, etc. Tá an dá threoir eile atá ingearach leis an treo polaraithe ainmnithe mar threoracha '1' (nó 'X') agus '2' (nó 'Y').

Socraímid brí fhisiceach na bparaiméadar piezoelectric ábhartha mar seo a leanas:

(1) Strain réimse leictrigh tairiseach d33 = e / E = W / U (méadar / volta), i stát meicniúil saor (τ = 0), is cúis le cur i bhfeidhm réimse leictreach ar feadh an treo polaraithe brú coibhneasta feadh an treo polaraithe, nó tréithriú an méid brú a ghintear le voltas aonad sa treo tiús; áit arb é W an síneadh simplí (méadar) agus gurb é U an voltas feidhmithe (volta). (2) Strus réimse leictreach tairiseach g33 = -E / τ = -U / P (voltmhéadar / niútan), i staid na ciorcad oscailte leictreach (I = 0), strus a chur i bhfeidhm ar feadh an treo polaraithe is cúis le ciorcad sách oscailte ar feadh an treo polaraithe galánta, nó arb iad is sainairíonna an neart an réimse leictreach ciorcad oscailte ginte ag strus aonad sa treo tiús; áit arb é U an voltas ciorcad oscailte agus gurb é P an brú fuaime. Is iad an dá pharaiméadar thuas (d33, g33) na príomh-pharaiméadair iarratais i dtrasduchtóirí leictreafhuaimneach. (3) Léiríonn tairiseach réimse leictrigh strus i33 = -τ / E (méadar Newton / volta) méid an strus a ghineann an t-aonad neart réimse leictrigh sa treo polaraithe (treo tiús). (4) An brú tairiseach réimse leictrigh h33 = E / e = U / △ t (volta / méadar). Tréithíonn sé an voltas ciorcad oscailte coibhneasta a ghintear trí bhrú aonad feadh an treo polaraithe (treo tiús). Sa fhoirmle, is é Δt an méid athraithe tiús, agus is é U an voltas ciorcad oscailte. Chomh maith leis na paraiméadair piezoelectric thuasluaite, is iad na paraiméadair thábhachtacha arb iad is sainairíonna iad airíonna an chomhlachta piezoelectric (5), an tairiseach tréleictreach ε, an tairiseach tréleictreach de Is cainníocht fhisiceach mhacrascópach thábhachtach iad comhpháirteanna fáinne piezoceramic a léiríonn go cuimsitheach iompar tréleictreach an tréleictreach. Tugtar tairiseach tréleictreach statach ar an tomhas tairiseach tréleictreach faoi réimse leictreastatach, agus tugtar tairiseach tréleictreach dinimiciúil ar an tomhas tairiseach tréleictreach faoi réimse leictreach malartach. Tá an dá rud difriúil. Tá baint ag méid an tairiseach tréleictreach dinimiciúil leis an minicíocht tomhais. (6) Modal leaisteacha, tá an brú a ghineann an éifeacht piezoelectric sa chatagóir brú leaisteacha, agus is léir go mbeidh dlúthbhaint ag staid an bhrú le modulus leaisteacha an ábhair.

(7) Tairiseach minicíochta N: Aonaid Hz · m, MHz · mm, agus KHz · mm. Tá a fhios againn nach mbaineann minicíocht athshondais comhlacht piezoelectric ní hamháin le saintréithe an ábhair féin, ach freisin le toisí seachtracha an ábhair, agus mar sin an mhíchaoithiúlacht a mheas. Is é an cuspóir atá leis an paraiméadar minicíochta tairiseach a thabhairt isteach ná tionchar toisí seachtracha an ábhair a sheachaint, agus ní dhéantar ach mar pharaiméadar feidhmíochta piezoelectric a bhaineann le hairíonna an ábhair le haghaidh meastóireachta éasca. De réir modhanna creathadh éagsúla an chomhlachta piezoelectric, is féidir é a roinnt ina: (a) minicíocht tonnchrith tiús tairiseach Nt = ft, (b) fad síneadh minicíocht creathadh tairiseach Nl = fl, (c) minicíocht creathadh síneadh gathacha tairiseach Nd = fd, is é f an minicíocht athshondais; Is é t tiús an vibrator; Is é l an fad vibrator; Is é d trastomhas an vibrator. Is é príomh-iarratas na teicneolaíochta tástála ultrasonaic an modh tonnchrith tiús, le Nt mar pharaiméadar tábhachtach a úsáidtear go coitianta, agus a minicíocht athshondais: f = (K / 4π2M) 1/2 athshondas minicíochta bunúsacha f = (1 / 2t) (c / ρ) 1/2 = C / 2t áit a bhfuil: K = n2 (π2 / 2) (cA / t); M = ρtA/2; W = K / M = 2πf (minicíocht chiorclach) nuair is é A achar na sliseanna piezoelectric; Is é t tiús an wafer piezoelectric; n is iolra den chreathadh dúbailt minicíochta; nuair a thógtar an tonnchrith minicíochta bunúsach, n = 1; Is é ρ dlús an chomhlachta piezoelectric; is é c tairiseach leaisteach an chomhlachta piezoelectric feadh ais an treo creathadh; Is é C an criostail piezoelectric Is é an luas fuaime i gcás modh creathadh tiús an treoluas tonn fadaimseartha CL sa chriostail. De réir C = λf (λ é an tonnfhad), is féidir a fhios go bhfuil tiús an chriostail piezoelectric. nuair a úsáidtear an minicíocht bhunúsach mar athshondas tiús ná t = λ / 2. Is féidir leis seo tiús sliseanna piezoelectric a athshondas ag minicíocht bhunúsach áirithe a chinneadh. Sampla 1: Ag glacadh leis go bhfuil titanáit bhairiam Nt = 2520Hz·m, cad é tiús na sliseanna má tá sliseanna písileictreach le lár-mhinicíocht 2.5MHz a dhéanamh?

Tá sé ar eolas go bhfuil CLZ = 3780m / s le haghaidh titanate siorcónáit luaidhe (PZT-5A). Más mian leat sliseanna piezoelectric a dhéanamh le minicíocht lárionad 5MHz, cad é tiús an chaillteanais thréleictreach sliseanna (8). Nuair a nochtar criostail tréleictreach go tobann do réimse leictreach, ní shroicheann an déine polaraithe an luach deiridh ag an am céanna, mar gheall ar cé go ndéanfaidh treoshuíomh na móilíní (fearainn leictreacha) iarracht treo an réimse leictrigh a leanúint, nuair a dhéanann siad, cuirfidh siad bac ar shlaodacht an réimse leictrigh. fáinne ceirmeach piezo , is gá fuinneamh a ionsú ón réimse leictrigh, rud a léiríonn é féin mar am scíthe, is é sin, is feiniméan scíthe é polarú (scíthe polaraithe). Má tá an meán faoi réir réimse leictrigh ailtéarnach agus go bhfuil an minicíocht ailtéarnach sách ard, cuirfidh sé faoi deara go leanfaidh an polarú go tráthúil agus go moille, rud a fhágfaidh go mbeidh an caillteanas tréleictreach mar a thugtar air agus go mbeidh an tairiseach tréleictreach dinimiciúil difriúil ón tairiseach tréleictreach statach. Déantar cuid den fhuinneamh a sholáthraítear don tréleictreach a chaitheamh trí rothlú an mhóimint dhúchtaigh leictreach a bhrú agus a thiontú go fuinneamh teirmeach atá le caitheamh. Cúis eile le caillteanas tréleictreach is ea sceitheadh ​​an tréleictreach, go háirithe faoi ghníomhaíocht ardteocht agus réimse láidir leictreach. Mar gheall ar sceitheadh, déantar fuinneamh leictreach a thiontú go teas agus a chaitheamh (caillteanas seoltachta). Is féidir linn friotaíocht caillteanas comhthreomhar Rn a úsáid chun tomhaltas fuinnimh leictreach sa mheán a léiriú. Is féidir an sruth tríd an meán a roinnt ina chuid den IR a ídíonn fuinneamh agus cuid den IC nach ídíonn fuinneamh trí toilleas íon an mheáin. Bainimid úsáid as an tadhlaí caillteanais tréleictreach chun a léiriú: tgδ = IR / IC = 1 / ωC0Rn áit a bhfuil ω mar mhinicíocht ciorclach an réimse leictrigh ailtéarnaigh; Is é C0 luach toilleas leictreastatach an tsampla tréleictreach leis na leictreoidí; Is é δ hysteresis reatha in aghaidh voltais Tugtar tadhlaí caillteanas tréleictreach uilleach freisin ar chaillteanas tréleictreach, fachtóir caillteanas tréleictreach, agus tá baint aige le neart, teocht agus minicíocht réimse leictrigh.

(9) Qe fachtóir cáilíochta leictreach

(10)Is é inbhéartach an tadhlaí caillteanais tréleictreach an fachtóir cáilíochta leictreach: Qe = 1 / tgδ = ωcorn ag athshondas: Qe = (π / 4K2) (Zl / ZC), áit a bhfuil K an chomhéifeacht cúplála leictrimheicniúla; Is é Zl bacainn fhuaimiúil an ualaigh; Is é ZC bacainn fhuaimiúil an chomhlachta piezoelectric. Sainmhínítear an fachtóir cáilíochta leictreach Qe mar: Qe = fuinneamh leictreach arna stóráil ag an vibrator piezoelectric ag athshondas / fuinneamh leictreach a cailleadh le linn an timthriall athshondais. Léiríonn sé an méid fuinnimh leictrigh (a thiontú go fuinneamh teirmeach) arna gcaitheamh ag an gcomhlacht piezoelectric faoi ghníomhaíocht réimse leictrigh ailtéarnaigh. Ciallaíonn Qe níos mó caillteanas cumhachta níos lú. Léiríonn Qe a bheith ann go bhfuil sé dodhéanta d'aon ábhar piezoelectric fuinneamh leictreach a thiontú go hiomlán i bhfuinneamh meicniúil, agus is é an chúis atá leis an gcaillteanas fuinnimh ná an caillteanas tréleictreach thuasluaite.