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Applicazione del trasduttore ceramico piezoelettrico

Visualizzazioni: 1 Autore: Editor del sito Orario di pubblicazione: 2019-10-11 Origine: Sito

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Le ceramiche piezoelettriche sono state ampiamente utilizzate grazie alla loro piezoelettricità e alla conseguente diversità di proprietà elettromeccaniche. Queste applicazioni possono generalmente essere suddivise in due grandi categorie, vale a dire come vibratori piezoelettrici. Quando viene utilizzato come vibratore piezoelettrico, il materiale ceramico piezoelettrico deve avere una buona stabilità della temperatura e della frequenza e un elevato fattore di qualità meccanica Q (Q indica il grado di consumo energetico interno del materiale durante la conversione delle vibrazioni); è necessario utilizzarlo come trasduttore. Di seguito viene fornita l'elevato fattore di accoppiamento meccanico K (conversione meccanica in energia elettrica / energia meccanica in ingresso, energia elettrica in energia meccanica / energia elettrica in ingresso) e l'elevata costante dielettrica relativa, l'applicazione della ceramica piezoelettrica.

Accenditore ceramico piezoelettrico
È un dispositivo che converte la forza meccanica in una scintilla elettrica per accendere la combustione, ed è un trasduttore elettromeccanico. Nel 1958, per l'accensione fu utilizzato l'effetto piezoelettrico della ceramica di titanato di bario (BaTiO). Tuttavia, questo materiale di Lo strato ceramico piezoelettrico ha una bassa velocità di accensione e un elevato rumore. Nel 1962, furono utilizzate prove sulla ceramica piezoelettrica di piombo zirconato titanato (PZT) per realizzare accenditori. Gli accenditori sono ampiamente utilizzati nella vita quotidiana, nella produzione industriale e nelle applicazioni militari per accendere gas e vari tipi di esplosivi e razzi.

I. Panoramica
La ceramica piezoelettrica è una pellicola policristallina con effetto piezoelettrico e il suo processo di produzione prende il nome dal processo di produzione simile (polverizzazione delle materie prime, stampaggio, sinterizzazione ad alta temperatura). Alcuni cristalli anisotropi subiscono una deformazione sotto forza meccanica, causando uno spostamento relativo delle particelle cariche, con conseguente formazione di cariche legate positive e negative sulla superficie del cristallo. Questo fenomeno è chiamato effetto piezoelettrico. Questa proprietà del cristallo è chiamata piezoelettricità. La ceramica piezoelettrica fu scoperta nel 1880 dai fratelli J. Curie e P. Curie. Pochi mesi dopo hanno verificato sperimentalmente l'effetto piezoelettrico inverso, ovvero quando viene applicata una tensione al piezocristallo, il piezocristallo subirà una deformazione geometrica. Prima del 1940 erano conosciuti solo due tipi di ferroelettrici (non solo polarizzati spontaneamente in un certo intervallo di temperature, ma anche polarizzazione spontanea dei cristalli che può essere riorientata a causa dell'intensità del campo esterno): uno è il fosfato monobasico di potassio e il suo equivalente. Il primo ha piezoelettricità a temperatura normale, ha valore d'uso tecnico, ma ha lo svantaggio di essere facile da sciogliere; quest'ultimo ha ceramiche piezoelettriche a bassa temperatura (meno di -14 C) e il valore d'uso ingegneristico non è elevato. È stato scoperto che il titanato di bario (BaTiO) ha una costante dielettrica anormalmente elevata. Si scoprì presto che era piezoelettrico e la scoperta della ceramica piezoelettrica BaTi O fu un salto di qualità per i materiali piezoelettrici. In precedenza, esisteva solo un materiale cristallino piezoelettrico, e da allora in poi è apparso ed è stato ampiamente utilizzato un materiale policristallino piezoelettrico, la ceramica piezoelettrica. Nel 1947, gli Stati Uniti utilizzarono la ceramica BaTiO per realizzare pickup per fonografi. Il Giappone lo ha usato due anni. Il materiale BaTiO ha lo svantaggio che la piezoelettricità è più debole del sale a riposo e la piezoelettricità è maggiore di quella del cristallo di quarzo con la temperatura. Nel 1954, B. Jaffe e altri scoprirono il sistema di soluzione solida piezoelettrico PbZrO-PbTiO (PZT), un evento epocale che rese impossibile fabbricare dispositivi nel BaTiO. Da allora, le ceramiche piezoelettriche trasparenti PZT sono state sviluppate per estendere l'applicazione delle ceramiche piezoelettriche al campo dell'ottica. Finora, l'applicazione della ceramica piezoelettrica, dallo sviluppo dell'universo alla vita familiare, è estremamente ampia. La ricerca cinese sulla ceramica piezoelettrica è iniziata alla fine degli anni '50, circa 10 anni dopo rispetto ai paesi stranieri. Allo stato attuale, ci sono forze piuttosto forti nella produzione sperimentale e nella produzione industriale di ceramiche piezoelettriche. Molti materiali hanno raggiunto o si avvicinano al livello internazionale.

Il meccanismo fisico della piezoelettricità piezoceramica
Le ceramiche piezoelettriche sono policristalli la cui piezoelettricità Il sensore a disco piezoelettrico può essere spiegato dalla piezoelettricità del cristallo piezoelettrico. Sotto l'azione della forza meccanica, il momento dipolare elettrico totale (polarizzazione) cambia, dando luogo a un fenomeno piezoelettrico. La piezoelettricità è strettamente correlata alla polarizzazione, alla deformazione e simili.

Meccanismo microscopico di polarizzazione

Lo stato di polarizzazione è uno stato in cui il campo elettrico esercita una forza di spostamento relativa sul punto carico del dielettrico e un equilibrio temporaneo di mutua attrazione tra le cariche. Esistono tre principali meccanismi di polarizzazione.

(1) Polarizzazione dello spostamento elettronico: l'atomo o lo ione di un dielettrico non coincide con il centro di carica negativa di un nucleo caricato positivamente e di un guscio elettronico sotto l'azione di una forza di campo elettrico.

(2) Polarizzazione dello spostamento ionico: gli ioni positivi e negativi del dielettrico vengono spostati relativamente sotto l'azione di un campo elettrico, generando così un momento dipolare elettrico.

(3) Polarizzazione dell'orientamento: le molecole polari che compongono il dielettrico hanno un certo momento elettrico intrinseco (inerente). A causa del movimento termico, l'orientamento è disordinato, il momento elettrico totale è zero. Quando viene applicato un campo elettrico, il momento di dipolo elettrico. La direzione del campo elettrico è allineata e appare un momento di dipolo elettrico macroscopico. Per i cristalli anisotropi, la polarizzazione è correlata alla presenza di un campo elettrico.

2. Effetto piezoelettrico

(1) Effetto piezoelettrico positivo
Quando il cristallo piezoelettrico viene deformato da una forza esterna, i centri di carica positiva e negativa vengono spostati relativamente e le cariche opposte vengono generate su alcune facce corrispondenti e si verifica l'intensità di polarizzazione. Questo fenomeno di assenza di campo elettrico e polarizzazione per deformazione è chiamato effetto piezoelettrico positivo.

Per i cristalli anisotropi, lo stress viene applicato al cristallo; (deformazione corrispondente), il cristallo avrà una polarizzazione proporzionale nelle tre direzioni X, Y e Z, chiamate rispettivamente costante di sollecitazione piezoelettrica e costante di deformazione piezoelettrica.

(2) Effetto piezoelettrico inverso
Quando un campo elettrico viene applicato al cristallo, non viene generata solo la polarizzazione ma anche la deformazione, e questo fenomeno di deformazione da parte del campo elettrico è chiamato effetto piezoelettrico inverso. Questo perché quando il cristallo è sottoposto a un campo elettrico, all'interno del cristallo viene generato uno stress (stress piezoelettrico) e la deformazione piezoelettrica viene generata dallo stress.

3. Meccanismo dell'effetto pressione
L'effetto piezoelettrico è stato scoperto per la prima volta sui cristalli piezoelettrici. Ora utilizziamo i cristalli piezoelettrici come modello per illustrare il meccanismo fisico dell'effetto piezoelettrico.
Quando non viene applicata alcuna pressione, i centri di carica positiva e negativa del cristallo vengono distribuiti. In questo momento, i centri di carica positiva e negativa coincidono e il momento elettrico totale del cristallo è pari a zero e la superficie del cristallo non è carica (non piezoelettrica).

Quando si applica pressione nella direzione x, il cristallo si deforma e i centri di carica positiva e negativa vengono separati, cioè il dipolo elettrico cambia, in modo che l'accumulo di carica si verifichi sulla superficie X. Quando si applica pressione nella direzione dell'asse Y, qui viene mostrata la distribuzione dei centri di carica positiva e negativa del cristallo, quando il momento di dipolo elettrico totale cambia e provoca un accumulo di carica sul piano X opposto alla parte anteriore. Ovviamente, sostituire la precedente forza di compressione con una forza di trazione indica che il segno della carica è invertito. In breve, quando viene applicata una pressione a un cristallo piezoelettrico, si può provocare un effetto piezoelettrico.

Applicazione della ceramica piezoelettrica

Le ceramiche piezoelettriche sono state ampiamente utilizzate grazie alla loro piezoelettricità e alla conseguente diversità di proprietà elettromeccaniche. Queste applicazioni possono generalmente essere suddivise in due grandi categorie, vale a dire come vibratori piezoelettrici. Quando utilizzato come vibratore piezoelettrico, il materiale ceramico piezoelettrico deve avere una buona stabilità della temperatura e della frequenza e un elevato fattore di qualità meccanica Q (Q indica il grado di consumo energetico interno del materiale durante la conversione delle vibrazioni); è necessario utilizzarlo come trasduttore. Di seguito vengono forniti un elevato fattore di accoppiamento meccanico K (= trasformazione meccanica in energia elettrica/energia meccanica in ingresso, o = energia elettrica in energia meccanica/energia elettrica in ingresso) e costanti dielettriche relative elevate per le applicazioni ceramiche piezoelettriche.

Accenditore ceramico piezoelettrico
È un dispositivo che converte la forza meccanica in una scintilla elettrica per accendere la combustione, ed è un trasduttore elettromeccanico. Nel 1958, per l'accensione fu utilizzato l'effetto piezoelettrico della ceramica di titanato di bario (BaTiO). Tuttavia, il materiale PZT ha una bassa velocità di accensione e un elevato rumore. Nel 1962, furono utilizzate prove sulla ceramica piezoelettrica di piombo zirconato titanato (PZT) per realizzare accenditori. Gli accenditori sono ampiamente utilizzati nella vita quotidiana, nella produzione industriale e nelle applicazioni militari per accendere gas e vari tipi di esplosivi e razzi.

(1) Principi fondamentali

Il processo di funzionamento dell'accenditore è suddiviso in tre fasi: generazione di alta pressione, accensione a scarica e accensione di gas infiammabile.

Generazione di alta tensione——Prendendo come esempio un componente ceramico piezoelettrico cilindrico, quando la forza meccanica F agisce sul cilindro, il cristallo piezoelettrico viene distorto, causando lo spostamento del centro delle cariche positive e negative nel cristallo, in modo che una grande quantità di carica si accumuli sulle superfici superiore e inferiore del cilindro e un

(2) uscita ad alta tensione.

Accensione a scarica: posizionare il componente piezoceramico in un circuito chiuso con uno spazio adeguato. Quando la tensione sale fino alla tensione di scarica dello spazio vuoto, viene generata una scintilla nello spazio vuoto.

Accendere il gas combustibile: generalmente il gas combustibile non è facile da bruciare, quindi viene generalmente utilizzato per vaporizzare facilmente l'etano. Per prolungare il tempo di scarica ed evitare che la scintilla si spenga troppo rapidamente per aumentare la velocità di accensione, è possibile inserire una resistenza adeguata nell'estremità di scarica.

(3) struttura dell'accenditore e principio di funzionamento

Esistono molti tipi di accenditori e vengono presi come esempio la struttura e il principio di funzionamento dell'accenditore piezoelettrico. L'accenditore mostrato può essere fissato al fornello domestico per accendere il gas, ruotare l'interruttore a camma 1, spingere il blocco d'impatto 3 con la parte sporgente della camma e comprimere la molla 2 dietro il blocco d'impatto. Quando la sporgenza della camma è separata dal blocco d'impatto. A causa della forza elastica della molla, il blocco d'impatto conferisce all'elemento ceramico piezoelettrico una forza d'impatto e viene generata un'alta tensione attraverso l'elemento piezoelettrico e un'alta tensione viene emessa dall'elettrodo intermedio 5 per generare una scintilla elettrica per accendere il gas.

2. Trasformatore piezoelettrico
A partire dagli anni '50 sono stati sviluppati i trasformatori piezoelettrici. A quel tempo, come materiale principale veniva utilizzato il titanato di bario. La spinta è relativamente bassa (solo 50-60 volte). La tensione di uscita è di circa 3000 volt. Con l'avvento dei materiali ceramici piezoelettrici di piombo zirconato titanato, il rapporto di boost è stato aumentato a 300-500 volte ed è stato gradualmente applicato a televisori, fotocopiatrici elettrostatiche e generatori di ioni negativi come alimentatori ad alta tensione.

(1) Principi di base
L'energia di vibrazione elettrica immessa nel foglio ceramico piezoelettrico viene convertita in energia di vibrazione meccanica mediante l'effetto piezoelettrico inverso e quindi convertita in energia elettrica mediante l'effetto piezoelettrico positivo. La conversione dell'impedenza (da bassa impedenza ad alta impedenza) viene ottenuta in queste due conversioni di energia per ottenere un'uscita ad alta tensione alla frequenza di risonanza del chip piezoceramico. Il principio di trasformazione viene spiegato prendendo come esempio un trasformatore orizzontale e verticale di vibrazione di stiramento.

L'intero pezzo di ceramica piezoelettrica è diviso in due parti, la parte sinistra è l'estremità di ingresso (chiamata anche parte motrice), i lati superiore e inferiore hanno l'elettrodo d'argento infiltrato, che è polarizzato nella direzione dello spessore, e la parte destra è l'estremità di uscita (chiamata anche parte che genera energia) e l'estremità destra. C'è un elettrodo d'argento che è infiltrato sulla superficie. Polarizzato su tutta la lunghezza. Quando al terminale di ingresso viene applicata una tensione alternata, a causa dell'effetto piezoelettrico inverso, il foglio piezoceramico genera vibrazioni di stiramento lungo la direzione della lunghezza, che converte l'energia elettrica in ingresso in energia meccanica; e la parte generatrice di potenza converte l'energia meccanica in energia elettrica attraverso l'effetto piezoelettrico positivo. Dove il fattore di qualità meccanica del materiale; - i coefficienti di accoppiamento elettromeccanico longitudinale e trasversale del materiale; la lunghezza della L - porzione di generazione elettrica; T - lo spessore del trasformatore.

(2) Applicazione del trasformatore piezoelettrico
I trasformatori piezoelettrici vengono utilizzati principalmente in caso di conversione ad alta tensione, bassa potenza e onda sinusoidale e presentano i vantaggi unici di alta tensione di uscita, leggerezza, volume ridotto, assenza di campo magnetico di dispersione, assenza di combustione. Per ottenere più uscite di tensione, a seconda che la tensione di uscita del trasformatore orizzontale-verticale sia proporzionale alla lunghezza, più vicino alla fine della parte di generazione di energia, maggiore è la tensione, possiamo realizzare elettrodi come prese in diverse posizioni della parte di generazione di energia, ottenendo così diverse uscite di tensione. .

4.Pickup e altoparlanti in ceramica piezoelettrici

Le ceramiche piezoelettriche sono ampiamente utilizzate nei dispositivi elettroacustici, come pickup e altoparlanti in ceramica piezoelettrica. I ricevitori e simili sono tutti sviluppati utilizzando le proprietà trasduttrici della ceramica piezoelettrica (l'energia meccanica viene convertita in energia elettrica o viceversa).

(1) Vibratore a doppia membrana

I dispositivi elettroacustici richiedono una bassa impedenza meccanica e possono essere abbinati a sorgenti sonore o sorgenti di vibrazioni. I vibratori piezoelettrici del tipo a doppia membrana possono soddisfare questi requisiti. È costituito da due pezzi di lastre ceramiche piezoelettriche allungate longitudinalmente. Quando un pezzo viene allungato, l'altro pezzo viene accorciato e il tutto viene piegato.

Viene fornito il principio di funzionamento del vibratore a doppia membrana. Quando una ceramica piezoelettrica con un certo spessore viene piegata sotto la forza, viene allungata da un lato dello spessore e compressa dall'altro lato, e viene generata una carica all'interno del foglio di ceramica piezoelettrica. Tuttavia, poiché l'intero diaframma ha la stessa direzione di polarizzazione, il lato superiore è allungato e il lato inferiore è compresso, in modo che il momento di dipolo elettrico sia opposto e i simboli di carica del lato superiore e inferiore siano gli stessi, quindi non vi è alcuna differenza di potenziale, come il passaggio a due strutture a doppio diaframma sovrapposte, quando è soggetto a flessione della forza, è possibile ottenere l'uscita di tensione. Due pezzi di diaframmi con direzioni di polarizzazione opposte sono collegati in serie e quando viene applicata la forza, il pezzo superiore viene allungato e quello inferiore viene compresso. Poiché le direzioni di polarizzazione sono opposte, i lati superiore e inferiore del doppio diaframma hanno un segno opposto e si può ottenere un'uscita di tensione. I due diaframmi con la stessa direzione di polarizzazione sono collegati in parallelo per formare una tensione di uscita.

(2) Struttura del pickup ceramico piezoelettrico e principio di funzionamento

È un diagramma della struttura di un pickup piezo ceramico a due canali. Il principio di funzionamento è che quando il lettore riproduce il suono, la punta del pickup si muove lungo il solco del disco (anche le pareti sinistra e destra del solco sono incise con un segnale di vibrazione) per generare una vibrazione meccanica sintetica, e la vibrazione viene scomposta in due componenti reciprocamente perpendicolari dall'elemento di accoppiamento. Quindi, i componenti vengono rispettivamente trasmessi alle estremità di due sensori (il diaframma piezoelettrico è comunemente usato come tipo a doppio diaframma), in modo che generino vibrazioni flettenti e infine convertiti e ripristinati nei segnali dei canali sinistro e destro mediante l'effetto piezoelettrico positivo. La morbidezza, elasticità e rigidità degli elementi di fissaggio in gomma, degli elementi di smorzamento in gomma, degli elementi di accoppiamento in gomma e degli elementi in gomma della barra dell'ago nel pickup hanno una grande influenza sulla sensibilità e sulla risposta in frequenza del dispositivo.

(3) Struttura e principio di funzionamento dell'altoparlante piezoelettrico in ceramica
L'altoparlante piezoelettrico in ceramica è un dispositivo elettroacustico semplice e leggero, che presenta i vantaggi di alta sensibilità, nessuna dispersione del campo magnetico, nessun filo di rame e magnete, basso costo, basso consumo energetico, riparazione conveniente e produzione di massa.

Il sistema di guida è a Elementi piezoelettrici in materiale PZT a doppio diaframma, il sistema di vibrazione è un cono di carta e il componente di accoppiamento trasmette in modo efficiente l'energia del sistema di guida al sistema di vibrazione. Durante il funzionamento, l'energia elettrica applicata al doppio diaframma ceramico piezoelettrico viene convertita in energia meccanica, che viene trasmessa al cono di carta attraverso l'elemento di accoppiamento per vibrare e suonare. Il doppio diaframma piezoelettrico ha un'impedenza maggiore e costituisce un azionamento di tensione. La relazione tra la forza F e la tensione V è F=KV, K è un coefficiente proporzionale e l'impedenza meccanica di vibrazione inclusa l'impedenza di radiazione è Z e la velocità di vibrazione è
V=F/Z
È possibile ottenere la pressione sonora P al centro r della pellicola ad alta vibrazione.

Dove f - frequenza
- densità media
S——l'area effettiva del cono

Inoltre, altri convertitori di energia elettroacustica come un trasmettitore, un ricevitore, un cicalino, ecc. possono essere realizzati secondo l'effetto piezoelettrico della ceramica piezoelettrica.

(4) Ventole e relè in ceramica piezoelettrica
La ceramica piezoelettrica può essere trasformata in una piccola ventola in ceramica piezoelettrica, che presenta i vantaggi di un volume ridotto, assenza di generazione di calore, assenza di ronzio, basso consumo energetico e lunga durata. Si tratta di un deformatore di flessione in ceramica piezoelettrica, composto da due fogli di ceramica piezoelettrica racchiusi da una lamina metallica e il foglio di ceramica piezoelettrica genera un movimento telescopico sotto l'azione di un campo elettrico esterno. Se due fogli di ceramica piezoelettrica vengono applicati con una tensione inversa, l'altro lato viene contratto per allungarsi e il foglio di metallo viene piegato e deformato. Se viene applicata una tensione alternata, la lamiera vibrerà periodicamente.

La ventola piezoelettrica in ceramica è composta da due deformatori di flessione. Dopo aver collegato l'alimentazione CA, le due lame vengono premute dalla freccia.