Berita

Anda di sini: Rumah / Berita / Asas Seramik Piezoelektrik / Aplikasi transduser seramik piezoelektrik

Penggunaan transduser seramik piezoelektrik

Pandangan: 1 Pengarang: Editor Tapak Masa Terbitan: 2019-10-11 Asal: tapak

Tanya

Seramik piezoelektrik telah digunakan secara meluas kerana piezoelektriknya dan kepelbagaian sifat elektromekanikal yang terhasil. Aplikasi ini secara amnya boleh dibahagikan kepada dua kategori yang luas, iaitu sebagai penggetar piezoelektrik. Apabila digunakan sebagai penggetar piezoelektrik, bahan seramik piezoelektrik diperlukan untuk mempunyai kestabilan suhu frekuensi yang baik dan faktor kualiti mekanikal yang tinggi Q (Q menunjukkan tahap penggunaan tenaga dalaman bahan semasa penukaran getaran); ia diperlukan untuk digunakan sebagai transduser. Faktor gandingan mekanikal yang tinggi K (penukaran mekanikal kepada tenaga elektrik / tenaga mekanikal input, tenaga elektrik kepada tenaga mekanikal / tenaga elektrik input) dan pemalar dielektrik relatif yang besar, aplikasi seramik piezoelektrik diberikan di bawah.

Pencucuh seramik piezoelektrik
Ini ialah peranti yang menukarkan daya mekanikal kepada percikan elektrik untuk menyalakan pembakaran, dan merupakan transduser elektromekanikal. Pada tahun 1958, kesan piezoelektrik seramik barium titanate (BaTiO) digunakan untuk penyalaan. Walau bagaimanapun, bahan ini daripada lapisan seramik piezoelektrik mempunyai kadar penyalaan yang rendah dan bunyi yang tinggi. Pada tahun 1962, percubaan seramik piezoelektrik plumbum zirkonat titanat (PZT) digunakan untuk membuat penyala. Penyala digunakan secara meluas dalam kehidupan harian, pengeluaran perindustrian, dan aplikasi ketenteraan untuk menyalakan gas dan pelbagai jenis bahan letupan dan roket.

I. Gambaran Keseluruhan
Seramik piezoelektrik ialah filem polihabluran dengan kesan piezoelektrik, dan proses pengeluarannya dinamakan sempena proses pengeluarannya yang serupa (pelumutan bahan mentah, pengacuan, pensinteran suhu tinggi). Sesetengah hablur anisotropik mengalami ubah bentuk di bawah daya mekanikal, menyebabkan zarah pengecasan agak tersesar, mengakibatkan cas terikat positif dan negatif pada permukaan kristal. Fenomena ini dipanggil kesan piezoelektrik. Sifat kristal ini dipanggil piezoelektrik. Seramik piezoelektrik ditemui pada tahun 1880 oleh saudara J. Curie dan P. Curie. Beberapa bulan kemudian mereka secara eksperimen mengesahkan kesan piezoelektrik songsang, iaitu, apabila voltan digunakan pada kristal piezo, kristal piezo akan mengalami ubah bentuk geometri. Sebelum 1940, hanya dua jenis feroelektrik yang diketahui (bukan sahaja terpolarisasi secara spontan dalam julat suhu tertentu, tetapi juga polarisasi spontan kristal yang boleh diorientasikan semula kerana kekuatan medan luaran): satu ialah kalium dihidrogen fosfat dan setara dengannya. Yang pertama mempunyai piezoelektrik pada suhu biasa, dan mempunyai nilai penggunaan teknikal, tetapi mempunyai kelemahan iaitu mudah larut; yang kedua mempunyai seramik piezoelektrik pada suhu rendah (kurang daripada -14 C), dan nilai penggunaan kejuruteraan tidak besar. Barium titanate (BaTiO) didapati mempunyai pemalar dielektrik yang luar biasa tinggi. Ia tidak lama lagi didapati sebagai piezoelektrik, dan penemuan seramik piezoelektrik BaTi O merupakan lonjakan kuantum untuk bahan piezoelektrik. Sebelum ini, hanya terdapat bahan kristal piezoelektrik, dan selepas itu bahan polihabluran piezoelektrik, seramik piezoelektrik muncul dan digunakan secara meluas. Pada tahun 1947, Amerika Syarikat menggunakan seramik BaTiO untuk membuat pikap untuk fonograf. Jepun menggunakannya dua tahun. Bahan BaTiO mempunyai kelemahan iaitu piezoelektrik lebih lemah daripada garam rehat dan piezoelektrik lebih besar daripada kristal kuarza dengan suhu. Pada tahun 1954, B. Jaffe dan yang lain menemui sistem penyelesaian pepejal PbZrO-PbTiO (PZT) piezoelektrik, yang merupakan peristiwa membuat zaman yang menjadikannya mustahil untuk mengarang peranti dalam BaTiO . Sejak itu, seramik piezoelektrik telus PZT telah dibangunkan untuk memanjangkan aplikasi seramik piezoelektrik ke bidang optik. Setakat ini, penggunaan seramik piezoelektrik, daripada perkembangan alam semesta kepada kehidupan keluarga, adalah sangat meluas. Penyelidikan China mengenai seramik piezoelektrik bermula pada akhir 1950-an, kira-kira 10 tahun kemudian daripada negara asing. Pada masa ini, terdapat kuasa yang agak kuat dalam pengeluaran percubaan dan pengeluaran industri seramik piezoelektrik. Banyak bahan telah mencapai atau hampir ke peringkat antarabangsa.

Mekanisme fizikal piezoelektrik piezoelektrik
seramik piezoelektrik ialah polihablur yang piezoelektriknya sensor cakera piezo boleh dijelaskan oleh piezoelektrik kristal piezo. Di bawah tindakan daya mekanikal, jumlah momen dipol elektrik (polarisasi) berubah, mengakibatkan fenomena piezoelektrik. Piezoelektrik berkait rapat dengan polarisasi, ubah bentuk, dan seumpamanya.

Mekanisme mikroskopik polarisasi

Keadaan polarisasi ialah keadaan di mana medan elektrik mengenakan daya anjakan relatif pada titik bercas dielektrik dan keseimbangan sementara tarikan bersama antara cas. Terdapat tiga mekanisme polarisasi utama.

(1) Polarisasi anjakan elektron—Atom atau ion dielektrik tidak bertepatan dengan pusat cas negatif nukleus bercas positif dan elektron petala di bawah tindakan daya medan elektrik.

(2) Polarisasi anjakan ion—ion positif dan negatif dielektrik secara relatifnya disesarkan di bawah tindakan daya medan elektrik, dengan itu menghasilkan momen dipol elektrik.

(3) Kepolarisasi orientasi—molekul kutub yang membentuk dielektrik mempunyai momen elektrik intrinsik (inheren) tertentu. Disebabkan oleh gerakan haba, orientasi tidak teratur, jumlah momen elektrik adalah sifar. Apabila medan elektrik digunakan, momen dipol elektrik .Arah medan elektrik dijajarkan dan momen dipol elektrik makroskopik muncul.Untuk kristal anisotropik, polarisasi berkaitan dengan kehadiran medan elektrik.

2. Kesan piezoelektrik

(1) Kesan piezoelektrik positif
Apabila kristal piezoelektrik diubah bentuk oleh daya luaran, pusat cas positif dan negatif secara relatifnya disesarkan, dan cas bertentangan dijana pada beberapa muka yang sepadan, dan keamatan polarisasi berlaku. Fenomena tiada medan elektrik dan polarisasi melalui ubah bentuk ini dipanggil kesan piezoelektrik positif.

Untuk kristal anisotropik, tegasan dikenakan pada kristal; (tegangan sepadan), kristal akan mempunyai polarisasi berkadar dalam tiga arah X, Y, dan Z, yang masing-masing dipanggil pemalar tegasan piezoelektrik dan pemalar terikan piezoelektrik.

(2) Kesan piezoelektrik songsang
Apabila medan elektrik digunakan pada kristal, bukan sahaja polarisasi tetapi juga ubah bentuk dijana, dan fenomena ubah bentuk oleh medan elektrik ini dipanggil kesan piezoelektrik songsang. Ini kerana apabila kristal tertakluk kepada medan elektrik, tegasan (tegasan piezoelektrik) dijana di dalam kristal, dan terikan piezoelektrik dihasilkan oleh tegasan.

3. Mekanisme kesan tekanan
Kesan piezoelektrik pertama kali ditemui pada kristal piezo. Kini kami menggunakan kristal piezo sebagai model untuk menggambarkan mekanisme fizikal kesan piezoelektrik.
Apabila tiada tekanan dikenakan, pusat cas positif dan negatif kristal diedarkan. Pada masa ini, pusat cas positif dan negatif bertepatan, dan jumlah momen elektrik kristal adalah sama dengan sifar, dan permukaan kristal tidak dicas (bukan piezoelektrik).

Apabila tekanan digunakan dalam arah x, kristal berubah bentuk, dan pusat cas positif dan negatif diasingkan, iaitu, dipol elektrik berubah, supaya pengumpulan cas berlaku pada permukaan X. Apabila tekanan dikenakan pada arah paksi Y, taburan pusat cas positif dan negatif kristal ditunjukkan di sini, apabila jumlah momen dipol elektrik berubah dan menyebabkan pengumpulan pelan cas X pada oposit hadapan. Jelas sekali, menggantikan daya mampatan sebelumnya dengan daya tegangan menunjukkan bahawa tanda cas diterbalikkan. Ringkasnya, apabila tekanan dikenakan pada kristal piezoelektrik, kesan piezoelektrik mungkin disebabkan.

Penggunaan seramik piezoelektrik

Seramik piezoelektrik telah digunakan secara meluas kerana piezoelektriknya dan kepelbagaian sifat elektromekanikal yang terhasil. Aplikasi ini secara amnya boleh dibahagikan kepada dua kategori yang luas, iaitu sebagai penggetar piezoelektrik. Apabila digunakan sebagai penggetar piezoelektrik, bahan seramik piezoelektrik diperlukan untuk mempunyai kestabilan suhu frekuensi yang baik dan faktor kualiti mekanikal yang tinggi Q (Q menunjukkan tahap penggunaan tenaga dalaman bahan semasa penukaran getaran); ia diperlukan untuk digunakan sebagai transduser. Faktor gandingan mekanikal yang tinggi K (= transformasi mekanikal kepada tenaga elektrik / tenaga mekanikal input, atau = tenaga elektrik kepada tenaga mekanikal / tenaga elektrik input) dan pemalar dielektrik relatif yang besar diberikan di bawah untuk aplikasi seramik piezoelektrik.

Pencucuh seramik piezoelektrik
Ini ialah peranti yang menukarkan daya mekanikal kepada percikan elektrik untuk menyalakan pembakaran, dan merupakan transduser elektromekanikal. Pada tahun 1958, kesan piezoelektrik seramik barium titanate (BaTiO) digunakan untuk penyalaan. Walau bagaimanapun, bahan PZT mempunyai kadar pencucuhan yang rendah dan bunyi yang tinggi. Pada tahun 1962, ujian seramik piezoelektrik plumbum zirkonat titanat (PZT) digunakan untuk membuat penyala. Penyala digunakan secara meluas dalam kehidupan harian, pengeluaran perindustrian, dan aplikasi ketenteraan untuk menyalakan gas dan pelbagai jenis bahan letupan dan roket.

(1) Prinsip asas

Proses kerja penyala dibahagikan kepada tiga peringkat: penjanaan tekanan tinggi, penyalaan nyahcas dan penyalaan gas mudah terbakar.

Penjanaan voltan tinggi——Mengambil komponen seramik piezoelektrik silinder sebagai contoh, apabila daya mekanikal F bertindak pada silinder, hablur piezo diherotkan, menyebabkan pusat cas positif dan negatif dalam kristal beralih, supaya sejumlah besar cas terkumpul pada permukaan atas dan bawah silinder dan

(2) keluaran voltan tinggi.

Pencucuhan Nyahcas—Letakkan komponen piezoceramic dalam gelung rapat dengan celah yang sesuai. Apabila voltan meningkat kepada voltan nyahcas jurang, percikan dijana dalam jurang.

Nyalakan gas mudah terbakar - secara amnya gas bahan api tidak mudah dibakar, jadi ia biasanya digunakan untuk mengewapkan etana dengan mudah. Untuk memanjangkan masa nyahcas untuk mengelakkan percikan daripada dipadamkan terlalu cepat untuk meningkatkan kadar pencucuhan, perintang yang sesuai boleh dimasukkan pada hujung nyahcas.

(3) struktur penyala dan prinsip kerja

Terdapat banyak jenis penyala, dan struktur dan prinsip kerja penyala piezoelektrik diambil sebagai contoh. Pencucuh yang ditunjukkan boleh dipasang pada periuk rumah untuk menyalakan gas, putar suis sesondol 1, tolak blok impak 3 dengan bahagian sesondol yang menonjol, dan mampatkan spring 2 di belakang blok impak. Apabila unjuran sesondol diasingkan daripada blok hentaman. Disebabkan oleh daya keanjalan spring, blok hentaman memberikan elemen seramik piezoelektrik daya hentaman, dan voltan tinggi dijana merentasi elemen piezoelektrik, dan voltan tinggi dikeluarkan daripada elektrod perantaraan 5 untuk menjana percikan elektrik untuk menyalakan gas.

2. Transformer piezoelektrik
Sejak tahun 1950-an, transformer piezoelektrik telah dibangunkan. Pada masa itu, barium titanate digunakan sebagai bahan utama. Rangsangannya agak rendah (hanya 50-60 kali). Voltan keluaran adalah sekitar 3000 volt. Dengan kemunculan bahan seramik piezoelektrik titanat zirkonat plumbum, nisbah rangsangan telah meningkat kepada 300-500 kali ganda, dan ia telah digunakan secara beransur-ansur pada televisyen, mesin penyalin elektrostatik, dan penjana ion negatif sebagai bekalan kuasa voltan tinggi.

(1) Prinsip asas
Input tenaga getaran elektrik ke lembaran seramik piezoelektrik ditukar kepada tenaga getaran mekanikal oleh kesan piezoelektrik songsang, dan kemudian ditukar kepada tenaga elektrik oleh kesan piezoelektrik positif. Penukaran impedans (dari impedans rendah kepada impedans tinggi) dicapai dalam kedua-dua penukaran tenaga ini untuk mencapai output voltan tinggi pada frekuensi resonans cip seramik piezo. Prinsip penjelmaan dijelaskan dengan mengambil pengubah mendatar dan menegak bagi getaran regangan sebagai contoh.

Seluruh bahagian seramik piezo dibahagikan kepada dua bahagian, bahagian kiri adalah hujung input (juga dipanggil bahagian pemacu), bahagian atas dan bawah mempunyai elektrod perak yang menyusup, yang terpolarisasi dalam arah ketebalan, dan bahagian kanan adalah hujung keluaran (juga dipanggil bahagian penjanaan kuasa), dan hujung kanan.Terdapat elektrod perak yang menyusup di permukaan. Berpolarisasi sepanjang panjang. Apabila terminal input digunakan dengan voltan berselang-seli, disebabkan oleh kesan piezoelektrik songsang, kepingan seramik piezo menghasilkan getaran regangan sepanjang arah panjang, yang menukar tenaga elektrik input kepada tenaga mekanikal; dan bahagian penjanaan kuasa menukarkan tenaga mekanikal kepada tenaga elektrik melalui kesan piezoelektrik positif. Di mana faktor kualiti mekanikal bahan; - pekali gandingan elektromekanikal membujur dan melintang bahan; panjang L - bahagian penjanaan kuasa; T - ketebalan pengubah.

(2) Penggunaan pengubah piezoelektrik Pengubah
piezoelektrik digunakan terutamanya dalam kes voltan tinggi, kuasa rendah dan penukaran gelombang sinus, dan mempunyai kelebihan unik voltan keluaran tinggi, ringan, volum kecil, tiada medan magnet kebocoran, tiada pembakaran. Untuk mendapatkan output voltan berganda, mengikut voltan keluaran pengubah mendatar-menegak adalah berkadar dengan panjang, semakin dekat dengan penghujung bahagian penjanaan kuasa, semakin tinggi voltan, kita boleh membuat elektrod sebagai pili pada kedudukan yang berbeza bahagian penjanaan kuasa, dengan itu memperoleh output voltan yang berbeza. .

4. Piezoelektrik seramik pikap dan pembesar suara

Seramik piezoelektrik digunakan secara meluas dalam peranti elektroakustik, seperti pikap dan pembesar suara seramik piezoelektrik. Penerima dan seumpamanya semuanya dibangunkan dengan menggunakan sifat transduksi seramik piezoelektrik (tenaga mekanikal ditukar kepada tenaga elektrik atau sebaliknya).

(1) Penggetar jenis diafragma berganda

Peranti elektroakustik memerlukan impedans mekanikal yang rendah dan boleh dipadankan dengan sumber bunyi atau sumber getaran. Penggetar piezoelektrik jenis diafragma berganda boleh memenuhi keperluan ini. Ia terdiri daripada dua keping kepingan seramik piezoelektrik yang diregangkan memanjang. Apabila satu bahagian diregangkan, bahagian yang lain dipendekkan dan keseluruhannya dibengkokkan.

Prinsip kerja penggetar jenis diafragma berganda diberikan. Apabila seramik piezoelektrik dengan ketebalan tertentu dibengkokkan di bawah daya, ia dipanjangkan pada satu sisi ketebalan dan dimampatkan di sisi lain, dan cas dijana di dalam kepingan seramik piezo. Walau bagaimanapun, kerana keseluruhan diafragma mempunyai arah polarisasi yang sama, bahagian atas memanjang, dan bahagian bawah dimampatkan, supaya momen dipol elektrik bertentangan, dan simbol caj bahagian atas dan bawah adalah sama, jadi tidak ada perbezaan potensi, seperti bertukar kepada dua struktur diafragma berganda yang bertindih, apabila tertakluk kepada lenturan daya, output voltan boleh diperolehi. Dua keping diafragma dengan arah polarisasi bertentangan disambungkan dalam siri, dan apabila daya dikenakan, bahagian atas memanjang dan bahagian bawah dimampatkan. Oleh kerana arah polarisasi adalah bertentangan, bahagian atas dan bawah diafragma berganda dicas secara bertentangan dengan tanda, dan output voltan boleh diperolehi. Dua diafragma dengan arah polarisasi yang sama disambung secara selari untuk membentuk voltan keluaran.

(2) Struktur pikap seramik piezoelektrik dan prinsip kerja

Ia ialah gambar rajah struktur pikap seramik piezo dua saluran. Prinsip kerja ialah apabila pemain memainkan bunyi, hujung pikap bergerak di sepanjang alur rekod (dinding alur kiri dan kanan juga diukir dengan isyarat getaran) untuk menghasilkan getaran mekanikal sintetik, dan getaran diuraikan kepada dua komponen yang saling berserenjang oleh ahli gandingan. Kemudian, komponen masing-masing dihantar ke hujung dua sensor (diafragma piezoelektrik biasanya digunakan sebagai jenis diafragma berganda), supaya ia menghasilkan getaran lentur, dan akhirnya ditukar dan dipulihkan ke isyarat saluran kiri dan kanan oleh kesan piezoelektrik positif. Kelembutan, keanjalan dan kekakuan pengikat getah, anggota redaman getah, anggota gandingan getah, dan anggota getah bar jarum dalam pikap mempunyai pengaruh yang besar pada sensitiviti dan tindak balas frekuensi peranti.

(3) Struktur pembesar suara seramik piezoelektrik dan prinsip kerja
Pembesar suara seramik piezoelektrik ialah peranti elektroakustik yang ringkas dan ringan, yang mempunyai kelebihan kepekaan tinggi, tiada serakan medan magnet, tiada wayar tembaga dan magnet, kos rendah, penggunaan kuasa yang rendah, pembaikan yang mudah dan pengeluaran besar-besaran.

Sistem pemanduan ialah a Elemen piezoelektrik bahan PZT diafragma berganda, sistem getaran adalah kon kertas, dan komponen gandingan menghantar tenaga sistem pemanduan ke sistem getaran dengan cekap. Semasa operasi, tenaga elektrik yang digunakan pada diafragma berganda seramik piezoelektrik ditukar kepada tenaga mekanikal, yang dihantar ke kon kertas melalui elemen gandingan untuk bergetar dan berbunyi. Diafragma berganda piezoelektrik mempunyai impedans yang lebih tinggi dan membentuk pemacu voltan. Hubungan antara daya F dan voltan V ialah F=KV, K ialah pekali berkadar, dan impedans mekanikal getaran termasuk galangan sinaran ialah Z, dan kelajuan getaran ialah
V=F/Z
Tekanan bunyi P di tengah r filem getaran tinggi boleh diperolehi.

Di mana f - kekerapan
- ketumpatan sederhana
S——luas berkesan kon

Di samping itu, penukar tenaga elektro-akustik lain seperti pemancar, penerima, buzzer, dsb. boleh dibuat mengikut kesan piezoelektrik seramik piezoelektrik.

(4) Kipas dan geganti seramik piezoelektrik
Seramik piezoelektrik boleh dibuat menjadi kipas seramik piezoelektrik kecil, yang mempunyai kelebihan volum kecil, tiada penjanaan haba, tiada hum, penggunaan kuasa yang rendah dan jangka hayat yang panjang. Ia adalah deformer lentur seramik piezoelektrik, yang terdiri daripada dua kepingan seramik piezoelektrik yang diapit oleh kerajang logam, dan kepingan seramik piezo menjana pergerakan teleskopik di bawah tindakan medan elektrik luaran. Jika dua kepingan seramik piezo digunakan dengan voltan terbalik, bahagian lain dikontrak untuk meregang, dan kepingan logam dibengkokkan dan cacat. Jika voltan berselang-seli digunakan, kepingan logam akan bergetar secara berkala.

Kipas seramik piezoelektrik terdiri daripada dua deformer lentur. Selepas kuasa AC disambungkan, kedua-dua bilah ditekan oleh anak panah.