Introduzione ai materiali piezoelettrici e ai parametri tecnici

Piezoceramica in materiale piezoelettrico sono materiali cristallini che generano una tensione tra le loro due estremità quando viene applicata la pressione. Nel 1880, i fisici francesi P. Curie e i fratelli J. Curie scoprirono che quando un oggetto pesante viene posizionato su un cristallo di quarzo, alcune superfici del cristallo generano cariche e la quantità di carica è proporzionale alla pressione. Questo fenomeno è chiamato effetto piezoelettrico. Subito dopo i fratelli Curie scoprirono l'effetto piezoelettrico inverso, ovvero il corpo piezoelettrico si deforma sotto l'azione di un campo elettrico esterno. Il meccanismo dell'effetto piezoelettrico è: il cristallo con piezoelettricità ha una bassa simmetria. Quando viene deformato da una forza esterna, lo spostamento relativo degli ioni positivi e negativi nella cella unitaria fa sì che i centri di carica positiva e negativa non si sovrappongano più, con conseguente polarizzazione macroscopica del cristallo, mentre la densità superficiale della carica superficiale del cristallo è uguale alla proiezione dell'intensità di polarizzazione sulla direzione normale della superficie, quindi quando il materiale piezoelettrico viene deformato dalla pressione, appariranno cariche di segno opposto sulle due estremità del materiale piezoelettrico. Al contrario, quando un materiale piezoelettrico è polarizzato in un campo elettrico, il materiale si deforma a causa dello spostamento del centro di carica.

 

Il sensore a piastra piezoelettrica può generare campi elettrici a causa della deformazione meccanica e può anche generare deformazione meccanica a causa dell'azione dei campi elettrici. Questo effetto di accoppiamento elettromeccanico intrinseco rende i materiali piezoelettrici ampiamente utilizzati in ingegneria. Ad esempio, i materiali piezoelettrici sono stati utilizzati per realizzare strutture intelligenti. Oltre alle capacità autoportanti, tali strutture hanno anche funzioni come l’autodiagnosi, l’autoadattamento e l’autoriparazione e svolgeranno un ruolo importante nella futura progettazione degli aeromobili.

 

Parametri tecnici dei materiali piezoelettrici:

 

Coefficiente piezoelettrico d33

 

Il coefficiente piezoelettrico è il coefficiente di conversione di cristallo ceramico piezoelettrico che converte l'energia meccanica in energia elettrica o converte l'energia elettrica in energia meccanica, riflettendo la relazione di accoppiamento tra le proprietà elastiche e le proprietà dielettriche dei materiali piezoelettrici

 

Permettività libera ε T33 (permettività libera)

 

La permettività di un dielettrico a deformazione zero (o costante), espressa in Farad/metro.

 

Permettività relativa ε Tr3 (permettività relativa)

 

Il rapporto tra la costante dielettrica ε T33 e la costante dielettrica del vuoto ε 0, ε Tr3= ε T33/ ε 0, è una quantità fisica adimensionale.

 

Perdita dielettrica (perdita dielettrica)

 

Il dielettrico è l'energia persa nel dielettrico a causa del processo di rilassamento della polarizzazione elettrica e della conduzione di dispersione sotto l'azione del campo elettrico.

 

Tangente dell'angolo di perdita tg δ (tangente dell'angolo di perdita)

 

Sotto l'azione di un campo elettrico alternato sinusoidale, la corrente che scorre in un dielettrico ideale è 90 0 avanti rispetto alla fase di tensione, ma nel campione ceramico piezoelettrico, a causa della perdita di energia, l'angolo di fase ψ del conduttore di corrente è inferiore a 900, e il suo angolo complementare δ ( δ + ψ =900) è chiamato angolo di perdita, che è una quantità fisica adimensionale. Le persone solitamente usano la tangente di perdita tg δ per rappresentare la dimensione della perdita dielettrica, che rappresenta il rapporto tra la potenza attiva (potenza di perdita) P del dielettrico e la potenza reattiva Q . Ovvero: fattore di qualità elettrica Qe (fattore di qualità elettrica)

 

Il valore del fattore di qualità elettrica è pari al reciproco del valore della tangente di perdita del campione, espresso da Qe, che è una grandezza fisica adimensionale. Se il circuito equivalente parallelo viene utilizzato per rappresentare il campione ceramico piezoelettrico nel campo elettrico alternato, allora Qe=1/ tg δ = ω CR

 

Fattore di qualità meccanica Qm (fattore di qualità meccanica)

 

Il rapporto tra l'energia meccanica immagazzinata dal Il vibratore a piastra piezoelettrica in risonanza con l'energia meccanica persa in un ciclo è chiamato fattore di qualità meccanica. La relazione tra esso ed i parametri dell'oscillatore è: Rapporto di Poissons

 

Il coefficiente di Poisson si riferisce al rapporto tra il ritiro relativo laterale e l'allungamento relativo longitudinale di un solido sotto stress, ed è una quantità fisica adimensionale espressa da δ : δ = - S 12 /S11

 

Frequenza di risonanza in serie fs (frequenza di risonanza in serie)

 

La frequenza di risonanza del ramo in serie nel circuito equivalente del vibratore piezoelettrico è chiamata frequenza di risonanza in serie, espressa da fs ,

Frequenza di risonanza parallela fp (frequenza di risonanza parallela)

 

La frequenza di risonanza del ramo parallelo nel circuito equivalente del vibratore piezoelettrico è chiamata frequenza di risonanza parallela, rappresentata da fp, cioè fp = frequenza di risonanza fr (frequenza di risonanza)

 

La frequenza più bassa di una coppia di frequenze che rende nulla la suscettanza del vibratore piezoelettrico è chiamata frequenza di risonanza, rappresentata da fr .

 

Frequenza antirisonanza fa (frequenza antirisonanza)

 

La frequenza più alta di una coppia di frequenze che rende nulla la suscettanza del vibratore piezoelettrico è chiamata frequenza di antirisonanza, espressa con fa .

 

Frequenza massima di ammettenza fm (frequenza massima di ammettenza)

 

La frequenza quando l'ammettenza del vibratore piezoelettrico è elevata è chiamata frequenza di grande ammettenza. In questo momento, l'impedenza del vibratore è piccola, quindi viene anche chiamata frequenza di piccola impedenza, espressa da f m.

 

Frequenza di ammettenza piccola fn (frequenza di ammettenza minima)

 

La frequenza alla quale l'ammettenza del vibratore piezoelettrico è piccola è chiamata frequenza di ammettenza piccola. In questo momento, l'impedenza del vibratore è grande, quindi è anche chiamata frequenza di grande impedenza, espressa da f n.

 

frequenza fondamentale

 

La bassa frequenza di risonanza in una determinata modalità di vibrazione è chiamata frequenza tonale e solitamente diventa la frequenza fondamentale.

 

Frequenza armonica (frequenza fondamentale)

 

Le frequenze di risonanza diverse dalla frequenza fondamentale in un dato modo di vibrazione sono chiamate frequenze armoniche.

 

stabilità della temperatura

 

La stabilità della temperatura si riferisce alla caratteristica secondo cui le prestazioni della ceramica piezoelettrica cambiano con la temperatura.

 

Ad una certa temperatura, quando la temperatura cambia di 1 ° C, il rapporto tra la variazione numerica di una certa frequenza e il valore numerico della frequenza a questa temperatura è chiamato coefficiente di temperatura della frequenza TKf.

 

Inoltre, per caratterizzare la stabilità termica di un determinato parametro viene solitamente utilizzata una grande deriva relativa.

 

Spostamento relativo della frequenza a temperatura positiva= △ fs (grande temperatura positiva)/fs(25 ℃ )

 

Ampio spostamento di frequenza relativa a temperatura negativa= △ fs (grande temperatura negativa)/fs(25 ℃ )

 

Coefficiente di accoppiamento elettromeccanico (COEFFICIENTE DI ACCOPPIAMENTO ELETTROMECCANICO)

 

Il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico K è la radice quadrata del rapporto tra il quadrato della densità di energia dell'interazione elastico-dielettrico V122 e il prodotto della densità di energia elastica immagazzinata V1 e della densità di energia dielettrica V2.

 

Le ceramiche piezoelettriche utilizzano comunemente i seguenti cinque coefficienti di accoppiamento di base

 

A. Coefficiente di accoppiamento elettromeccanico piano KP (riflette la polarizzazione e l'eccitazione elettrica del disco sottile lungo la direzione dello spessore ed è un parametro dell'effetto di accoppiamento elettromeccanico durante la vibrazione di allungamento radiale.)

 

B. Coefficiente di accoppiamento elettromeccanico trasversale K31 (parametri che riflettono l'effetto di accoppiamento elettromeccanico della striscia sottile lungo la polarizzazione nella direzione dello spessore e l'eccitazione elettrica per la vibrazione di allungamento della lunghezza.)

 

C. Coefficiente di accoppiamento elettromeccanico longitudinale K33 (un parametro che riflette l'effetto di accoppiamento elettromeccanico dell'asta sottile lungo la direzione della lunghezza della polarizzazione e dell'eccitazione elettrica per la vibrazione dell'allungamento della lunghezza.)

 

D. Il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico KT dello stiramento dello spessore

 

E. Coefficiente di accoppiamento elettromeccanico del taglio dello spessore K15 (riflette la polarizzazione della piastra rettangolare lungo la direzione della lunghezza, la direzione del campo elettrico di eccitazione è perpendicolare alla direzione di polarizzazione e viene utilizzato come parametro per l'effetto di accoppiamento elettromeccanico durante la vibrazione del taglio dello spessore.)

 

Costante di deformazione piezoelettrica D (COstante di deformazione piezoelettrica)

 

La costante di deformazione piezoelettrica è il rapporto tra la variazione della componente di deformazione SI e la variazione di EI causata dalla variazione della componente del campo elettrico E a condizione che sia la sollecitazione T che la componente del campo elettrico EM (M ≠ I) siano costanti.

 

Costante di tensione piezoelettrica G (COSTANTE DI TENSIONE PIEZOELETTRICA)

 

La costante è il rapporto tra la variazione della componente EI dell'intensità del campo elettrico causata dalla variazione della componente di sollecitazione TI e la variazione di TI a condizione che lo spostamento elettrico D e la componente di sollecitazione TN (N ≠ I) siano entrambi costanti.

 

Temperatura Curie TC (TEMPERATURA CURIE)

 

Le ceramiche piezoelettriche hanno un effetto piezoelettrico solo entro un determinato intervallo di temperature. Ha una temperatura critica TC. Quando la temperatura è superiore a TC, la ceramica piezoelettrica subisce una transizione di fase strutturale. Questa temperatura critica TC è chiamata temperatura di Curie.

 

Stabilità della temperatura (STABILITÀ DELLA TEMPERATURA)

 

Si riferisce alle caratteristiche delle prestazioni di trasduttori ceramici piezoelettrici che cambiano con la temperatura. Generalmente, esistono due metodi per descrivere la stabilità della temperatura: coefficiente di temperatura o grande deriva relativa.

 

Tasso di invecchiamento dieci volte superiore (TASSO DI INVECCHIAMENTO PER DECENNIO) Y rappresenta un determinato parametro

 

Costante di frequenza (FREQUENZA COSTANTE)

 

Per le modalità di vibrazione con allungamento della lunghezza radiale e trasversale, la costante di frequenza è il prodotto della frequenza di risonanza in serie e della dimensione dell'elemento (diametro o lunghezza) che determina questa frequenza. Per le modalità di vibrazione dello spessore della lunghezza longitudinale e del taglio di stiramento, la costante di frequenza è il prodotto della frequenza di risonanza parallela e della dimensione del vibratore (lunghezza o spessore) che determina questa frequenza, e la sua unità: HZ.M