Pengenalan kepada Bahan Piezoelektrik dan Parameter Teknikal

Bahan piezoelektrik piezoseramik adalah bahan kristal yang menjana voltan di antara dua hujungnya apabila tekanan dikenakan. Pada tahun 1880, ahli fizik Perancis P. Curie dan J. Curie bersaudara mendapati bahawa apabila objek berat diletakkan pada kristal kuarza, beberapa permukaan kristal akan menghasilkan cas, dan jumlah cas adalah berkadar dengan tekanan. Fenomena ini dipanggil kesan piezoelektrik. Sejurus selepas itu, adik-beradik Curie menemui kesan piezoelektrik songsang, iaitu, badan piezoelektrik berubah bentuk di bawah tindakan medan elektrik luaran. Mekanisme kesan piezoelektrik ialah: kristal dengan piezoelektrik mempunyai simetri yang rendah. Apabila ia berubah bentuk oleh daya luar, anjakan relatif ion positif dan negatif dalam sel unit menjadikan pusat cas positif dan negatif tidak lagi bertindih, mengakibatkan polarisasi makroskopik kristal, manakala Ketumpatan permukaan cas permukaan kristal adalah sama dengan unjuran keamatan polarisasi pada arah normal permukaan, jadi apabila bahan piezoelektrik akan berubah bentuk oleh tekanan opposit, kedua-dua bahan piezoelektrik akan berubah bentuk. bahan piezoelektrik. Sebaliknya, apabila bahan piezoelektrik terkutub dalam medan elektrik, bahan tersebut berubah bentuk disebabkan oleh anjakan pusat cas.

 

Sensor plat piezoelektrik boleh menjana medan elektrik akibat ubah bentuk mekanikal, dan juga boleh menjana ubah bentuk mekanikal akibat tindakan medan elektrik. Kesan gandingan elektromekanikal yang wujud ini menjadikan bahan piezoelektrik digunakan secara meluas dalam kejuruteraan. Sebagai contoh, bahan piezoelektrik telah digunakan untuk membuat struktur pintar. Sebagai tambahan kepada keupayaan menyokong diri, struktur sedemikian juga mempunyai fungsi seperti diagnosis diri, penyesuaian diri, dan penyembuhan diri, dan akan memainkan peranan penting dalam reka bentuk pesawat masa hadapan.

 

Parameter teknikal bahan piezoelektrik:

 

Pekali piezoelektrik d33

 

Pekali piezoelektrik ialah pekali penukaran bagi kristal seramik piezoelektrik yang menukar tenaga mekanikal kepada tenaga elektrik atau menukar tenaga elektrik kepada tenaga mekanikal, mencerminkan hubungan gandingan antara sifat keanjalan dan sifat dielektrik bahan piezoelektrik

 

Kebolehizinan bebas ε T33 (keizinan bebas)

 

Kebolehtelapan dielektrik pada terikan sifar (atau malar), dinyatakan dalam Farads/meter.

 

Kebolehtepatan relatif ε Tr3 (kebolehtepatan relatif)

 

Nisbah pemalar dielektrik ε T33 kepada pemalar dielektrik vakum ε 0, ε Tr3= ε T33/ ε 0, ialah kuantiti fizik tanpa dimensi.

 

Kehilangan dielektrik (kehilangan dielektrik)

 

Dielektrik ialah tenaga yang hilang dalam dielektrik akibat proses kelonggaran polarisasi elektrik dan pengaliran kebocoran di bawah tindakan medan elektrik.

 

Sudut kehilangan tangen tg δ (tangen sudut kehilangan)

 

Di bawah tindakan medan elektrik berselang-seli sinusoidal, arus yang mengalir dalam dielektrik yang ideal adalah 90 0 mendahului fasa voltan, tetapi dalam sampel seramik piezoelektrik, disebabkan kehilangan tenaga, sudut fasa ψ daripada plumbum semasa adalah kurang daripada 900, dan sudut pelengkapnya δ ( δ + ψ = 900 sudut fizikal). Orang biasanya menggunakan tangen kehilangan tg δ untuk mewakili saiz kehilangan dielektrik, yang mewakili nisbah kuasa aktif (kuasa kehilangan) P dielektrik kepada kuasa reaktif Q . Iaitu: faktor kualiti elektrik Qe (faktor kualiti elektrik)

 

Nilai faktor kualiti elektrik adalah sama dengan timbal balik nilai tangen kehilangan sampel, dinyatakan oleh Qe, yang merupakan kuantiti fizik tanpa dimensi. Jika litar setara selari digunakan untuk mewakili sampel seramik piezoelektrik dalam medan elektrik berselang-seli, maka Qe=1/ tg δ = ω CR

 

Faktor kualiti mekanikal Qm (faktor kualiti mekanikal)

 

Nisbah tenaga mekanikal yang disimpan oleh penggetar plat piezoelektrik pada resonans kepada tenaga mekanikal yang hilang dalam satu kitaran dipanggil faktor kualiti mekanikal. Hubungan antaranya dan parameter pengayun ialah: Nisbah Poissons

 

Nisbah Poisson merujuk kepada nisbah pengecutan relatif sisi dan pemanjangan relatif membujur pepejal di bawah tegasan, dan merupakan kuantiti fizik tanpa dimensi yang dinyatakan oleh δ : δ = - S 12 /S11

 

Frekuensi resonans siri fs (frekuensi resonans siri)

 

Kekerapan resonansi cawangan siri dalam litar setara penggetar piezoelektrik dipanggil frekuensi resonansi siri, dinyatakan oleh fs ,

Kekerapan resonans selari fp (frekuensi resonans selari)

 

Kekerapan resonans cawangan selari dalam litar setara penggetar piezoelektrik dipanggil frekuensi resonans selari, diwakili oleh fp, iaitu, fp = frekuensi resonans fr (frekuensi resonans)

 

Kekerapan yang lebih rendah daripada sepasang frekuensi yang menjadikan susepsi penggetar piezoelektrik sifar dipanggil frekuensi resonans, diwakili oleh fr.

 

Kekerapan antiresonans fa (kekerapan antiresonans)

 

Kekerapan yang lebih tinggi bagi sepasang frekuensi yang menjadikan susepsi penggetar piezoelektrik sifar dipanggil frekuensi anti-resonans, dinyatakan oleh fa .

 

Kekerapan kemasukan maksimum fm (kekerapan kemasukan maksimum)

 

Kekerapan apabila kemasukan penggetar piezoelektrik adalah besar dipanggil kekerapan kemasukan besar. Pada masa ini, impedans penggetar adalah kecil, jadi ia juga dipanggil frekuensi impedans kecil, dinyatakan oleh f m.

 

Kekerapan kemasukan kecil fn (kekerapan kemasukan minimum)

 

Kekerapan di mana kemasukan penggetar piezoelektrik adalah kecil dipanggil kekerapan kemasukan kecil. Pada masa ini, impedans penggetar adalah besar, jadi ia juga dipanggil frekuensi impedans besar, dinyatakan oleh f n.

 

kekerapan asas

 

Frekuensi resonans rendah dalam mod getaran tertentu dipanggil frekuensi pic, dan biasanya menjadi frekuensi asas.

 

Kekerapan nada (kekerapan asas)

 

Frekuensi resonans selain daripada frekuensi asas dalam mod getaran tertentu dipanggil frekuensi overtone.

 

kestabilan suhu

 

Kestabilan suhu merujuk kepada ciri bahawa prestasi seramik piezoelektrik berubah mengikut suhu.

 

Pada suhu tertentu, apabila suhu berubah sebanyak 1 ° C, nisbah perubahan berangka frekuensi tertentu kepada nilai berangka frekuensi pada suhu ini dipanggil pekali suhu kekerapan TKf.

 

Di samping itu, hanyutan relatif yang besar biasanya digunakan untuk mencirikan kestabilan suhu parameter tertentu.

 

Anjakan frekuensi relatif pada suhu positif= △ fs (suhu positif besar)/fs(25 ℃ )

 

Anjakan frekuensi relatif besar pada suhu negatif= △ fs (suhu negatif besar)/fs(25 ℃ )

 

Pekali gandingan elektromekanikal (PEKALI GADING MEKANIKAL ELEKTRO)

 

Pekali gandingan elektromekanikal K ialah punca kuasa dua nisbah ketumpatan tenaga interaksi anjal-dielektrik kuasa dua V122 kepada hasil darab ketumpatan tenaga anjal tersimpan V1 dan ketumpatan tenaga dielektrik V2.

 

Seramik piezoelektrik biasanya menggunakan lima pekali gandingan asas berikut

 

A. Pekali gandingan elektromekanikal satah KP (mencerminkan polarisasi dan pengujaan elektrik cakera nipis sepanjang arah ketebalan, dan merupakan parameter kesan gandingan elektromekanikal semasa getaran regangan jejari.)

 

B. Pekali gandingan elektromekanikal melintang K31 (parameter yang mencerminkan kesan gandingan elektromekanikal jalur langsing di sepanjang polarisasi arah ketebalan dan pengujaan elektrik untuk getaran regangan panjang.)

 

C. Pekali gandingan elektromekanikal membujur K33 (parameter yang mencerminkan kesan gandingan elektromekanikal rod nipis di sepanjang arah panjang polarisasi dan pengujaan elektrik untuk getaran regangan panjang.)

 

D. Pekali gandingan elektromekanikal KT regangan ketebalan

 

E. Pekali gandingan elektromekanikal ricih ketebalan K15 (mencerminkan polarisasi plat segi empat tepat sepanjang arah panjang, arah medan elektrik pengujaan adalah berserenjang dengan arah polarisasi, dan digunakan sebagai parameter untuk kesan gandingan elektromekanikal semasa getaran ricih ketebalan.)

 

Pemalar terikan piezoelektrik D (MALAR TERINAN PIEZOELEKTRIK)

 

Pemalar terikan piezoelektrik ialah nisbah perubahan komponen terikan SI kepada perubahan EI yang disebabkan oleh perubahan komponen medan elektrik E di bawah keadaan kedua-dua tegasan T dan komponen medan elektrik EM (M ≠ I) adalah malar.

 

Pemalar voltan piezoelektrik G (MALAR VOLTAN PIEZOELEKTRIK)

 

Pemalar ialah nisbah perubahan komponen keamatan medan elektrik EI yang disebabkan oleh perubahan komponen tegasan TI kepada perubahan TI di bawah keadaan sesaran elektrik D dan komponen tegasan TN (N ≠ I) kedua-duanya malar.

 

Suhu Curie TC (SUHU CURIE)

 

Seramik piezoelektrik hanya mempunyai kesan piezoelektrik dalam julat suhu tertentu. Ia mempunyai TC suhu kritikal. Apabila suhu lebih tinggi daripada TC, seramik piezoelektrik mengalami peralihan fasa struktur. TC suhu kritikal ini dipanggil suhu Curie.

 

Kestabilan suhu (KESTABILAN SUHU)

 

Merujuk kepada ciri-ciri prestasi transduser seramik piezoelektrik yang berubah mengikut suhu. Secara amnya, terdapat dua kaedah untuk menerangkan kestabilan suhu: pekali suhu atau hanyutan relatif yang besar.

 

Kadar penuaan sepuluh kali ganda (KADAR PENUAAN SEDEKAD) Y mewakili parameter tertentu

 

Pemalar frekuensi (FREKUENSI MAAF)

 

Untuk mod getaran regangan panjang jejari dan melintang, pemalar frekuensi ialah hasil darab frekuensi resonans siri dan dimensi unsur (diameter atau panjang) yang menentukan frekuensi ini. Untuk ketebalan panjang membujur dan mod getaran ricih regangan, pemalar frekuensi ialah hasil darab frekuensi resonans selari dan saiz penggetar (panjang atau ketebalan) yang menentukan frekuensi ini, dan unitnya: HZ.M