Nieuws

Je bent hier: Thuis / Nieuws / Basisprincipes van piëzo-elektrische keramiek / Dempingskarakteristieken van elektromechanische koppeling tussen piëzo-keramiekkristal en elektrisch circuit

Dempingskarakteristieken van elektromechanische koppeling tussen piëzo-keramiekkristal en elektrisch circuit

Aantal keren bekeken: 4 Auteur: Site-editor Publicatietijd: 05-03-2020 Herkomst: Locatie

Informeer

Piëzo-elektrische keramiek, als een nieuw functioneel keramisch materiaal, dat op grote schaal wordt gebruikt op vele technische gebieden, waaronder de toepassing op het gebied van structurele trillingsbeheersing. Vanwege zijn vermogen om mechanische energie en elektrische energie te transformeren, kan het in het systeem worden ingebed als een ultrasone sensor of actuator voor actieve controle van structurele trillingen. Wanneer piëzo-elektrische keramische materialen en externe circuits een gesloten circuit vormen, vanwege de mechanische en elektrische koppeling, zullen deze enkele dempingseigenschappen vertonen, die kunnen worden gebruikt voor passieve controle van constructies.

In 1979 stelde Forward voor het eerst de mogelijkheid voor om piëzo-elektrische keramiek parallel te gebruiken met circuitcomponenten voor trillingsbeheersing, en vervolgens hagood en von. In dit artikel worden de mechanische en elektrische koppelingskarakteristieken van piëzo-elektrische keramiek en externe circuits theoretisch gemodelleerd, en de invloed van PZT piëzokeramische buis op cantilever-trillingen wanneer ze parallel zijn aangesloten op respectievelijk een zuiver weerstandscircuit en een serieweerstandsinductiecircuit. De experimentele resultaten komen goed overeen met de theoretische resultaten, die systematisch de haalbaarheid bewijzen van parallelle piëzo-elektrische keramiek en externe circuits voor trillingscontrole. Sindsdien zijn veel onderzoekers op dit gebied begonnen te investeren.

Om de dempingseigenschappen van ultrasone niveautransducer voor trillingscontrole, gebaseerd op het onderzoekswerk in dit artikel, wordt een theoretisch model opgesteld van de dempingskarakteristieken van parallelle koppeling van piëzo-elektrische keramiek met weerstandsinductie en weerstandscapaciteitcircuits, en het theoretische model wordt geverifieerd op basis van het cantileversysteem, dat een theoretische basis biedt voor de toepassing van piëzo-elektrische keramiek op het gebied van passieve controlefundament.

Dempingskarakteristieken van parallelle piëzo-elektrische keramiek

Piëzo-elektrische keramische materialen hebben de eigenschap mechanische energie om te zetten in elektrische energie. Wanneer piëzo-elektrische keramiek wordt blootgesteld aan externe krachten, zal het oppervlak elektrische lading produceren. Als het piëzo-elektrische keramiek zich in de circuitstatus bevindt, zal de lading zich verzamelen op het oppervlak van het piëzo-elektrische keramiek. Wanneer piëzo-elektrische keramiek een gesloten circuit vormt met het externe circuit, zal een deel van de elektrische lading worden verbruikt in de vorm van warmte-energie door de impedantie in het circuit, dat wil zeggen dat een deel van de mechanische energie zal vrijkomen in de vorm van warmte-energie. Dit is het mechanisme waarbij piëzo-elektrische keramiek en externe circuits parallel zijn aangesloten voor passieve trillingscontrole.

1.2 theoretisch model

Vanuit elektrisch oogpunt kan piëzo-elektrische keramiek worden vereenvoudigd als een seriemodel van een spanningsbron en een condensator. Het is een gelijkwaardig elektrisch model van piëzo-keramiek parallel aan het externe circuit. De elektrische impedantie van het systeem wanneer het externe circuit gesloten of open is. De mechanische impedantie is gelijk aan de mechanische stijfheid van piëzo-elektrische materialen. Daarom kunnen de dempingskarakteristieken van parallelle piëzo-elektrische keramiek, de energiedissipatiefactor ŋ en de stijfheidsverhouding e respectievelijk worden gedefinieerd. Wanneer de externe circuits respectievelijk een parallelle weerstandsinductieschakeling en weerstands-negatieve capaciteitsserieschakeling zijn, kan het materiaaldempingskarakteristiekenmodel van piëzo-elektrische keramiek worden verkregen: de dempingskarakteristieken van piëzo-elektrische keramiek en de elektromechanische koppelingscoëfficiënt van piëzo-elektrische keramiek, de werkfrequentie en de trillingsfactor zijn allemaal gerelateerd. De dempingskarakteristieken van parallelle piëzo-elektrische keramiek houden verband met vele factoren, zoals de kenmerken van piëzo-elektrische keramiek, de soorten externe circuits en specifieke circuitparameters. Met de verandering van deze factoren vertonen piëzo-elektrische keramiek verschillende dempingseigenschappen.

Simulatieonderzoek Gebaseerd op cantileverliggersysteem

Om de invloed van het circuittype en gerelateerde parameters op de dempingskarakteristieken van parallel te verifiëren piëzo-elektrische keramische transducers , een set simulatiesystemen gebaseerd op vrijdragende balk is ontworpen. PZT-5 piëzo-elektrische keramische plaat wordt op het oppervlak van de vrijdragende balk geplakt, het oppervlak van de balk is geaard en de polarisatierichting van de piëzo-elektrische keramische plaat wordt getoond. Van de vier piëzo-elektrische keramische platen zijn er twee actuatoren, die de drijvende bronnen zijn van vrijdragende straaltrilling; één is de sensor, die de trillingsintensiteit van de overeenkomstige positie op de vrijdragende balk weerspiegelt via de gemeten spanningswaarde; de andere is parallel aan het externe circuit, het eerste paar piëzo-elektrische keramische platen is 60 mm * 26,4 mm * 0,25 mm en het tweede paar is 50 mm * 26,4 mm * 0,25 mm. De afstand tussen het linkeruiteinde van twee paar piëzo-keramische chips en het vaste uiteinde van de vrijdragende balk is respectievelijk 18 mm en 100 mm. Er bestaat een overdrachtsfunctierelatie tussen de ingangsspanning van de actuator en de uitgangsspanning van de sensor. Door de overdrachtsfunctie van het externe parallelle circuit in open circuit en gesloten circuit te vergelijken, kan de invloed van de parallelle piëzo-elektrische keramiek op de systeemtrilling worden bepaald.

Volgens het bovenstaande model wordt de invloed van piëzo-elektrische keramiek op de trilling van het cantilever-balksysteem in vier gevallen gesimuleerd. Het is weerstand, serieweerstandsinductie, parallelle weerstandsinductie en negatieve capaciteit van parallelle weerstand. Negatieve capaciteit wordt gerealiseerd door een conversiecircuit voor negatieve impedantie. De parameters van de cantilever en piëzo-elektrische keramiek die in de simulatie worden gebruikt, hebben alleen betrekking op de eerste modus van de cantilever, en er wordt rekening gehouden met de invloed van de weerstandsverandering op de dempingskarakteristieken van piëzo-elektrische keramiek.

In de verschillende parallelle circuits heeft piëzo-elektrisch keramiek een grote invloed op de trillingen van het vrijdragende balksysteem. Voor hetzelfde circuit verandert het dempingseffect met de verandering van de weerstandswaarde, en er is een optimale waarde uit de veranderingstrend. Dit komt overeen met het theoretische model uit het vorige deel. Uit de vergelijking blijkt dat het dempende effect het kleinst is bij parallelschakeling met de weerstand, en het sterkst bij parallelschakeling met de serieschakeling met negatieve capaciteit van de weerstand. Voor twee soorten parallelle circuits met weerstandsinductie is de invloed van piëzo-elektrisch keramiek op het systeem vergelijkbaar, maar de gevoeligheid van de dempingsprestaties bij verandering van weerstand is heel anders. Bovendien, wanneer de weerstand van het serieweerstandsinductiecircuit verandert van groot naar klein, en de weerstand van het parallelle weerstandsinductiecircuit verandert van klein naar groot, is de trend van hun invloed op de prestaties van het cantileversysteem hetzelfde. Door de parallelle dempingseigenschappen van piëzokeramiek en de invloed ervan op de systeemprestaties te beschouwen, wordt een uitgebreide vergelijking gemaakt.