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Caratteristiche di smorzamento dell'accoppiamento elettromeccanico tra cristallo piezoceramico e circuito elettrico

Visualizzazioni: 4 Autore: Editor del sito Orario di pubblicazione: 2020-03-05 Origine: Sito

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Ceramica piezoelettrica, come nuovo materiale ceramico funzionale, ampiamente utilizzato in numerosi campi tecnici, inclusa l'applicazione nel campo del controllo delle vibrazioni strutturali. Grazie alla sua capacità di trasformare energia meccanica ed energia elettrica, può essere integrato nel sistema come sensore o attuatore a ultrasuoni per il controllo attivo delle vibrazioni strutturali. Quando i materiali ceramici piezoelettrici e i circuiti esterni formano un circuito chiuso, a causa dell'accoppiamento meccanico ed elettrico, mostrerà alcune caratteristiche di smorzamento, che possono essere utilizzate per il controllo passivo delle strutture.

Nel 1979, Forward propose per la prima volta la possibilità di utilizzare ceramiche piezoelettriche in parallelo con componenti del circuito per il controllo delle vibrazioni, e poi Hagood e von. In questo articolo vengono modellate teoricamente le caratteristiche di accoppiamento meccanico ed elettrico delle ceramiche piezoelettriche e dei circuiti esterni e l'influenza delle Tubo piezoceramico PZT vibrazioni del cantilever quando sono collegati in parallelo rispettivamente con il circuito di resistenza pura e il circuito di induttanza di resistenza in serie. I risultati sperimentali sono in buon accordo con i risultati teorici, che dimostrano sistematicamente la fattibilità di ceramiche piezoelettriche e circuiti esterni in parallelo per il controllo delle vibrazioni. Da allora molti ricercatori hanno iniziato a investire in questo campo.

Per applicare meglio le caratteristiche di smorzamento di trasduttore di livello ad ultrasuoni per il controllo delle vibrazioni, sulla base del lavoro di ricerca contenuto in questo articolo, viene stabilito un modello teorico delle caratteristiche di smorzamento dell'accoppiamento parallelo di ceramiche piezoelettriche con circuiti di induttanza di resistenza e capacità di resistenza e il modello teorico viene verificato sulla base del sistema a sbalzo, che fornisce una base teorica per l'applicazione della ceramica piezoelettrica nel campo delle fondamenta di controllo passivo.

Caratteristiche di smorzamento delle ceramiche piezoelettriche parallele

I materiali ceramici piezoelettrici hanno la proprietà di convertire l'energia meccanica in energia elettrica. Quando la ceramica piezoelettrica è sottoposta a una forza esterna, la superficie produce carica elettrica. Se la ceramica piezoelettrica è nello stato di circuito, la carica si raccoglierà sulla superficie della ceramica piezoelettrica. Quando la ceramica piezoelettrica forma un circuito chiuso con il circuito esterno, parte della carica elettrica verrà consumata sotto forma di energia termica dall'impedenza del circuito, cioè parte dell'energia meccanica verrà rilasciata sotto forma di energia termica. Questo è il meccanismo con cui la ceramica piezoelettrica e i circuiti esterni sono collegati in parallelo per il controllo passivo delle vibrazioni.

1.2 modello teorico

Dal punto di vista elettrico, la ceramica piezoelettrica può essere semplificata come un modello in serie di una sorgente di tensione e un condensatore. È un modello elettrico equivalente della ceramica piezoelettrica in parallelo con il circuito esterno. L'impedenza elettrica del sistema quando il circuito esterno è chiuso o aperto. L'impedenza meccanica è equivalente alla rigidità meccanica dei materiali piezoelettrici. Pertanto, è possibile definire rispettivamente le caratteristiche di smorzamento della ceramica piezoelettrica parallela, il fattore di dissipazione di energia ŋ e il rapporto di rigidità e. Quando i circuiti esterni sono rispettivamente un circuito parallelo di induttanza di resistenza e un circuito in serie di capacità negativa di resistenza, è possibile ottenere il modello delle caratteristiche di smorzamento del materiale della ceramica piezoelettrica: le caratteristiche di smorzamento della ceramica piezoelettrica e il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico della ceramica piezoelettrica, la frequenza di lavoro e il fattore di vibrazione sono tutti correlati. Le caratteristiche di smorzamento delle ceramiche piezoelettriche parallele sono legate a molti fattori, come le caratteristiche delle ceramiche piezoelettriche, i tipi di circuiti esterni e i parametri specifici del circuito. Con il cambiamento di questi fattori, le ceramiche piezoelettriche mostrano diverse caratteristiche di smorzamento.

Ricerca sulla simulazione Basata sul sistema di travi a sbalzo

Al fine di verificare l'influenza del tipo di circuito e dei relativi parametri sulle caratteristiche di smorzamento del parallelo trasduttori ceramici piezoelettrici , è stato progettato un insieme di sistemi di simulazione basati su travi a sbalzo. Il foglio di ceramica piezoelettrica PZT-5 è incollato sulla superficie della trave a sbalzo, la superficie della trave è messa a terra e viene mostrata la direzione di polarizzazione del foglio di ceramica piezoelettrica. Tra i quattro fogli di ceramica piezoelettrica, due sono attuatori, che sono le fonti motrici della vibrazione della trave a sbalzo; uno è il sensore, che riflette l'intensità della vibrazione della posizione corrispondente sulla trave a sbalzo attraverso il valore della tensione misurata; l'altro è in parallelo con il circuito esterno, la prima coppia di fogli di ceramica piezoelettrica è 60 mm * 26,4 mm * 0,25 mm e la seconda coppia è 50 mm * 26,4 mm * 0,25 mm. La distanza tra l'estremità sinistra di due coppie di chip piezoceramici e l'estremità fissa della trave a sbalzo è rispettivamente di 18 mm e 100 mm. Esiste una relazione di funzione di trasferimento tra la tensione di ingresso dell'attuatore e la tensione di uscita del sensore. Confrontando la funzione di trasferimento del circuito parallelo esterno nel circuito aperto e nel circuito chiuso, è possibile determinare l'influenza delle ceramiche piezoelettriche parallele sulla vibrazione del sistema.

Secondo il modello di cui sopra, l'influenza della ceramica piezoelettrica sulla vibrazione del sistema di travi a sbalzo viene simulata in quattro casi. Si tratta di resistenza, induttanza di resistenza in serie, induttanza di resistenza parallela e capacità negativa della resistenza parallela. La capacità negativa è realizzata dal circuito di conversione dell'impedenza negativa. I parametri del cantilever e della ceramica piezoelettrica utilizzati nella simulazione coinvolgono solo la prima modalità del cantilever e viene considerata l'influenza del cambiamento di resistenza sulle caratteristiche di smorzamento della ceramica piezoelettrica.

Nei diversi circuiti paralleli, la ceramica piezoelettrica ha una grande influenza sulla vibrazione del sistema di travi a sbalzo. Per lo stesso circuito, l'effetto di smorzamento cambia con la variazione del valore di resistenza e si ottiene un valore ottimale dall'andamento della variazione. Ciò è coerente con il modello teorico della parte precedente. Dal confronto si può vedere che l'effetto di smorzamento è minimo quando collegato in parallelo alla resistenza e maggiore quando è collegato in parallelo al circuito in serie della capacità negativa della resistenza. Per due tipi di circuiti paralleli di induttanza resistiva, l'influenza della ceramica piezoelettrica sul sistema è simile, ma la sensibilità delle prestazioni di smorzamento con la variazione della resistenza è piuttosto diversa. Inoltre, quando la resistenza del circuito di induttanza di resistenza in serie cambia da grande a piccola e la resistenza del circuito di induttanza di resistenza in parallelo cambia da piccola a grande, l'andamento della loro influenza sulle prestazioni del sistema a sbalzo è lo stesso. Considerando le caratteristiche di smorzamento dei piezoceramici in parallelo e la sua influenza sulle prestazioni del sistema, viene effettuato un confronto completo.