Važne primjene piezoelektrične keramike

                           Važne primjene piezoelektrične keramike

Piezoelektrična keramika naširoko se koristi zbog svoje piezoelektričnosti i raznolikosti elektromehaničkih svojstava uzrokovanih piezoelektričnosti. Zbog velike raznolikosti piezoelektričnih keramičkih uređaja i njihove široke primjene, teško ih je strogo klasificirati jednostavnom metodom. Opće primjene mogu se općenito podijeliti u dvije kategorije: piezoelektrični vibratori i piezoelektrični pretvarači.

1. Transduktor

Primjena piezoelektričnog efekta je raznolika, a jedna od najvažnijih je korištenje njegovih karakteristika s pretvornika  . To je karakteristika pretvorbe energije , to  je  učinak električne energije koji se primjenjuje na piezoelektričnu keramiku, električna energija se može pretvoriti u mehaničku energiju kroz učinak obrnutog napona; Električni učinak pretvara mehaničku energiju u električnu. Ljudi koriste ovo fizičko svojstvo piezoelektrične keramike za proizvodnju mnogih vrsta piezoelektričnih uređaja, koji se široko koriste u podvodnoj komunikaciji, ultrazvuku, visokonaponskom paljenju i drugim područjima.

1, Piezoelektrični keramički upaljač

Ovo je uređaj koji mehaničku silu pretvara u električne iskre za paljenje zapaljivih tvari. To je elektromehanički pretvarač. Godine 1958. uveo je upotrebu piezoelektričnog učinka keramike od barijevog titanata (BaTiO3) za paljenje. Brzina paljenja ovoga piezo element piezo šipka nije visoka, a buka je velika. Godine 1962. piezoelektrična keramika olovo cirkonat titanat (PZT) korištena je za izradu upaljača. Ova vrsta upaljača ima široku primjenu u svakodnevnom životu, industrijskoj proizvodnji i vojnim poslovima, a koristi se za paljenje i detoniranje plinova, raznih eksploziva i raketa.

(1) Osnovno načelo: Radni proces upaljača podijeljen je u tri faze: stvaranje visokog napona, paljenje pražnjenjem i paljenje zapaljivog plina. Generiranje visokog napona - Uzmimo cilindrične piezoelektrične keramičke elemente kao primjer, kada mehanička sila F djeluje na cilindar, kristal će se iskriviti, uzrokujući pomicanje središta pozitivnih i negativnih naboja u kristalu, tako da će se velika količina slobodnih naboja pojaviti na gornjoj i donjoj površini cilindra akumulirati, to proizvodi visoki napon. Izlazni napon je: V=ga3Fh/A, gdje je A——površina poprečnog presjeka cilindra; h——visina cilindra; ga3——konstanta piezoelektričnog napona. Paljenje pražnjenjem - stavite piezoelektrični keramički element u zatvoreni krug i ostavite odgovarajući razmak. Kada napon poraste do napona pražnjenja međuprostora, u međuprostoru će se generirati iskra pražnjenja. Paljenje zapaljivog plina - općenito gorivi plin nije lako sagorjeti, pa se uglavnom koristi etan koji se lako rasplinjava. Kako bi se produžilo vrijeme pražnjenja i spriječilo prebrzo gašenje iskre, povećajte brzinu paljenja. Odgovarajući otpornik može se spojiti u seriju na kraju pražnjenja.

 

(2) Struktura i princip rada upaljača , ovdje postoji mnogo vrsta upaljača, a kućni piezoelektrični upaljač uzet je kao primjer za ilustraciju njegove strukture i principa rada. Može se pričvrstiti na kuhalo za kućanstvo za paljenje plina, okretanje bregastog prekidača, korištenje  izbočenog dijela zupčanika za guranje udarnog bloka i komprimiranje opruge iza udarnog bloka. Kada se izbočeni dio ekscentra odvoji od udarnog bloka, zbog elastične sile opruge, udarni blok daje  piezo keramičkom .piezoelektričnom elementu udarnu silu, koja generira visoki napon na oba kraja piezoelektričnog elementa, i daje visoki napon iz srednje elektrode za stvaranje električne iskre za paljenje plina.

 

2. Podvodni akustični pretvarač

Podvodni akustični pretvornik je pretvornički uređaj koji se koristi za podvodnu komunikaciju i detekciju. Ljudi znaju da se zračna komunikacija i detekcija uglavnom oslanjaju na elektromagnetske valove, kao što su radio komunikacija i radarska oprema itd., sve se oslanjaju na elektromagnetske valove za prijenos informacija u zraku. Nije moguće koristiti elektromagnetske valove za podvodnu komunikaciju i detekciju. To je zato što elektromagnetski valovi imaju veliki gubitak pri širenju u vodi, pa će ih apsorbirati netko tko ne putuje daleko. Međutim, gubitak širenja zvučnih valova u vodi vrlo je malen, tako da podvodna komunikacija i detekcija uglavnom koriste zvučne valove za prijenos informacija, a instrumenti koji generiraju i detektiraju zvučne valove nazivaju se sonarnim sustavima. Sonarni sustavi nezamjenjivi su alati za podvodnu navigaciju, komunikaciju, detekciju podmornica i jata riba te istraživanje mora. Ljudi uspoređuju sonar u vodi s radarom u zraku, a oči i uši sonara su podvodni akustični pretvornici. Istraživanje podvodnih akustičnih pretvarača počelo je u Prvom svjetskom ratu. Francuski Langevin prvi je upotrijebio kvarcne kristale za izradu podvodnih akustičnih pretvarača na temelju piezoelektričnog učinka. Iako je podvodni akustični pretvarač koji je stvorio Lang Zhiwan bio ograničen tehničkim uvjetima u to vrijeme i nije se zapravo koristio na dubokomorskim podmornicama, dao je značajan doprinos razvoju podvodne akustične znanosti u budućnosti. Langevinova sonda koristi učinak obrnutog napona kvarcnog kristala za emitiranje zvučnih valova u vodu, piezo keramička cijev prima zvučne valove vraćene iz vode kroz efekt pozitivnog napona i izvodi neka podvodna mjerenja prema recipročnom vremenu pulsnih zvučnih valova.

Ljudi su proveli dubinska i sustavna istraživanja piezoelektrični podvodni akustični pretvarači kako bi bili praktični. Međutim, glavni piezoelektrični materijali korišteni u to vrijeme bili su piezoelektrični kristali topljivi u vodi - Rocheova sol i kalijev dioksifosfat. Krajem 1950-ih pojavila se piezoelektrična keramika. Izrada podvodnih akustičnih pretvarača s piezoelektričnom keramikom gotovo je postala glavni piezoelektrični materijal koji ljudi biraju. Budući da ima mnoge karakteristike koje piezoelektrični kristali nisu imali u prošlosti, postao je najidealniji piezoelektrični materijal za izradu podvodnih akustičnih pretvarača i ne postoji drugi materijal koji mu može parirati. Glavne prednosti piezoelektričnih keramičkih podvodnih akustičnih pretvarača su:

(1) Nema potrebe za istosmjernim prednaponom i zavojnicom, sustav vibracija je jednostavan;

(2) Piezoelektrični keramički pretvarač male je veličine i ima izvrsne karakteristike;

(3) Piezoelektrični keramički pretvornici mogu se izraditi u bilo koji oblik prema potrebi.

Piezoelektrični pretvornici su najrašireniji tip pretvornika u području podvodne akustične tehnologije. Pokazatelji učinkovitosti podvodnih akustičnih pretvarača trebaju imati samo radnu frekvenciju, koeficijent elektromehaničke sprege, koeficijent elektromehaničke pretvorbe, faktor kvalitete, karakteristike frekvencije, karakteristike impedancije, karakteristike usmjerenja, karakteristike amplitude, osjetljivost prijenosa, osjetljivost prijema, snagu odašiljača, svojstva temperaturne i vremenske stabilnosti, mehaničku čvrstoću i težinu itd. Međutim, za praktičnu sondu nije potrebno iznijeti toliko zahtjeva za indeksom neovisno o prilici, ali da iznese različite i reprezentativne zahtjeve za indeks u skladu s prilikama njegove uporabe i primjene.

Drugo, piezoelektrični vibrator

Nakon pojave PZT piezoelektrična keramika , moguća izrada keramičkih filtera. Keramički filtri s različitim frekvencijama mogu se izraditi korištenjem različitih načina vibracija piezoelektričnih vibratora. Najranije primijenjeni način vibracije je radijalna vibracija ili konturna vibracija, čineći filtar od 455 kHz. Kasnije se frekvencija keramičkih filtara razvila na oba kraja, s visokim krajem koji je dosegao 10MHz, a niskim krajem ispod 1kHz. Zbog primjene načina zamke energije, frekvencija keramičkog filtra je čak 100MHz, filtar površinskih akustičnih valova pobuđen interdigitalnim pretvornikom dosegao je iznad 1GHz, a najviša frekvencija filtra površinskih akustičnih valova koji koristi piezoelektričnu keramiku kao supstrat bila je do 630MHz.

Piezoelektrični transformator je također vibrator u smislu svoje primjene, a njegova osnovna struktura je postavljanje dva seta elektroda na piezoelektrično keramičko tijelo koje formiraju četiri terminala. Dodavanje električnog signala primarnoj strani čini da rezonira, a sekundarna strana ima izlaz. Na taj način radi kao transformator u trenutku rezonancije. Istraživanja piezoelektričnih transformatora započela su ranije. Snagu i pogonski napon piezoelektričnih transformatora izrađenih od monolitne keramike nije lako povećati. Višeslojni piezoelektrični transformator proizveden je istom višeslojnom kompozitnom tehnologijom kao i tehnologija proizvodnje monolitnog kondenzatora, a njegova snaga i pogonski napon znatno su poboljšani, što dodatno proširuje raspon primjene piezoelektričnog transformatora.

 

1. Piezoelektrični transformator

Piezoelektrični transformatori razvijani su od 1950-ih. U to vrijeme kao glavni materijal korišten je barij titanat. Omjer pojačanja je nizak (samo 50~60 puta). Izlazni napon je oko 3000V. S pojavom olovo cirkonat titanat piezoelektričnih keramičkih materijala, omjer povećanja je povećan na 300 ~ 500 puta, i postupno je populariziran i korišten u televizorima, elektrostatičkim fotokopirnim strojevima i generatorima negativnih iona kao visokonaponski izvori energije.

(1) Osnovna načela. Ulazna energija električne vibracije u piezoelektričnu keramiku pretvara se u mehaničku energiju vibracije putem inverznog piezoelektričnog učinka, a zatim se pretvara u električnu energiju putem pozitivnog piezoelektričnog učinka. Pretvorba impedancije (od niske impedancije do visoke impedancije) ostvaruje se tijekom ove dvije pretvorbe energije, tako da se može postići visok piezoelektrični izlaz na rezonantnoj frekvenciji keramičke ploče. Sada uzmite vodoravne i okomite transformatore s rastezljivom vibracijom kao primjer za ilustraciju principa transformatora.

 

Cijeli keramički čip je podijeljen u dva dijela, lijevi dio je ulazni kraj (također poznat kao pogonski dio), postoje spaljene srebrne elektrode na gornjoj i donjoj strani, polarizirane duž smjera debljine, desni dio je izlazni kraj (također poznat kao dio za proizvodnju energije), a desni dio je izlazni kraj (također poznat kao dio za proizvodnju energije). Na površini su spaljene srebrne elektrode. Polariziran po svojoj dužini. Kada se na ulazni kraj primijeni izmjenični napon, zbog efekta obrnutog napona, keramički komad će proizvesti vibraciju istezanja duž smjera duljine, koja će pretvoriti ulaznu električnu energiju u mehaničku energiju; dok će dio za proizvodnju električne energije mehaničku energiju pretvoriti u električnu kroz učinak pozitivnog napona, a zatim je prenijeti s izlaznog kraja izlaznog napona. Kad nema opterećenja, omjer povećanja otvorenog kruga, Qm je mehanički faktor kvalitete materijala; K31, K33 su uzdužni i poprečni koeficijenti elektromehaničke sprege materijala; L je duljina dijela za proizvodnju električne energije; t je debljina transformatora. Piezoelektrični transformatori se uglavnom koriste u slučaju pretvorbe visokog napona, niske snage i sinusnog vala, a imaju jedinstvene prednosti kao što su visoki izlazni napon, mala težina, mala veličina, nema curenja magnetskog polja i nema izgaranja. Kako bi se dobilo više izlaza napona, prema izlaznom naponu horizontalno-vertikalnog transformatora proporcionalnom duljini, što je bliže kraju dijela za proizvodnju električne energije, to je veći napon, a elektrode se mogu napraviti na različitim položajima dijela za proizvodnju električne energije kao glave osovine kako bi se dobili različiti izlazi napona.

 

(2) Osnovni princip rada i karakteristike monolitnih (višeslojnih) piezoelektričnih keramičkih transformatora. Piezoelektrična keramika je krti materijal. Kako bi se osigurala njegova mehanička čvrstoća, piezoelektrični transformator mora imati određenu debljinu, a pogonski napon gore spomenutog transformatora prilično je ograničen. Iz tog razloga je nastao projekt monolitnog (višeslojnog) piezoelektričnog keramičkog transformatora. Nakon usvajanja monolitne (višeslojne) strukture, debljina i broj slojeva svakog pojedinog sloja mogu se podesiti, a pogonski napon više nije ograničen, tako da se može postići da električni transformatori mogu raditi u najboljem stanju bez obzira na pogonski napon u kojem se nalaze.

Osnovne tehnologije ovog projekta su submikronsko sinteriranje na niskim temperaturama piezoelektrični keramički materijali , tehnologija zajedničkog pečenja unutarnje elektrode, tehnologija obrade polarizacijom i strukturni dizajn. Monolitni (višeslojni) piezoelektrični keramički transformatori (MPT) su treća generacija elektroničkih transformatora sa sljedećim značajkama.

① Ultratanak: debljina općenito ne prelazi 4 mm.

②Visoka učinkovitost pretvorbe: preko 97% pri punom opterećenju (omsko opterećenje).

③ Ima značajku samozaštite automatskog isključivanja kratkog spoja opterećenja.

④Rezonantni transformator: može ostvariti pretvorbu nultog napona i nulte struje.

⑤ Ima izlazne karakteristike kvazi-konstantne struje za opterećenja niske impedancije.

⑥ Nema povratnog vršnog napona, pouzdana zaštita strujnog kruga pojačala.

⑦ Nema elektromagnetskih smetnji.

⑧Nema kvara zavojnice, lomljenja plijesni.

⑨Otpornost na slani sprej, dobra otpornost na vremenske uvjete, posebno pogodna za korištenje u morskoj klimi.

 

2. Piezoelektrični keramički pickup i zvučnik

Piezoelektrični keramički pretvornici naširoko se koriste u elektroakustičnoj opremi, kao što su piezoelektrični keramički senzori i zvučnici.

(1) Vibrator s dvostrukom dijafragmom (Slika 6-16). Elektroakustička oprema zahtijeva nisku mehaničku impedanciju i može odgovarati izvoru zvuka ili izvoru vibracija, a piezoelektrični vibrator s dvostrukom dijafragmom može ispuniti te zahtjeve. Izrađen je od dvije piezoelektrične keramičke ploče koje su rastezljive po duljini. Kad se jedan komad rasteže, drugi se komad skraćuje, a cijeli se savija.

 

Daje princip rada vibratora s dvostrukom dijafragmom. Kada se komad piezoelektrične keramike određene debljine savija pod djelovanjem sile, jedna strana njegove debljine se izdužuje, a druga strana se sabija. U to vrijeme, naboji će se generirati unutar keramičkog komada. , ali budući da je smjer polarizacije cijele dijafragme isti, gornja strana je izdužena, a donja strana je komprimirana, što uzrokuje suprotan električni dipolni moment, a gornja i donja strana imaju isti predznak naboja, tako da nema razlike potencijala, kao što je prikazano na slici 6-16 (a). Ako se umjesto toga koristi struktura dvostruke dijafragme s dva sloja koji se nalaze jedan iznad drugoga, može se dobiti izlazni napon kada je sila savijena. Slika 6-16(b) koristi dvije dijafragme sa suprotnim smjerovima polarizacije povezane u seriju. Kada se primijeni sila, gornji se rasteže, a donji sabija. Budući da su smjerovi polarizacije suprotni, gornja i donja strana dvostruke dijafragme nabijene su suprotnim predznacima, te se može dobiti izlazni napon. Slika 6-16(c) nastaje paralelnim spajanjem dvije dijafragme s istim smjerom polarizacije, a također se može dobiti izlazni napon.

 

(2) Struktura piezoelektričnog keramičkog zvučnika i princip rada: Piezoelektrični keramički zvučnik jednostavan je i lagan elektro-akustični uređaj visoke osjetljivosti, bez prelijevanja magnetskog polja, bez potrebe za bakrenim žicama i magnetima, niske cijene, male potrošnje energije, jednostavnog popravka, lake masovne proizvodnje itd.

Njegov pogonski sustav je piezoelektrična keramička dvostruka dijafragma, vibracijski sustav je papirnati konus, a spojni element učinkovito prenosi energiju pogonskog sustava na vibracijski sustav. Tijekom rada, električna energija dodana piezoelektričnoj keramičkoj dvostrukoj dijafragmi pretvara se u mehaničku energiju, koja se prenosi na papirnati stožac kroz spojni element kako bi on vibrirao i zvučao. Piezoelektrična dvostruka dijafragma ima relativno visoku impedanciju, što čini naponski pogon. Odnos između sile F i napona V je F=KV, a K je proporcionalni koeficijent. Ako je mehanička impedancija vibracije uključujući impedanciju zračenja Z, brzina vibracije je: v=F/Z, može se dobiti zvučni tlak P u središtu r visoke dijafragme. |P|=10fρS/r |v| gdje je: f—frekvencija; ρ—srednja gustoća; S—efektivna površina tijela kralješka. Osim toga, prema piezoelektričnom učinku piezoelektrične keramike mogu se izraditi i drugi elektroakustički pretvarači energije, kao što su odašiljači, prijamnici, zujalice itd.