Inleiding tot piëzo-elektrische materialen en technische parameters

Piëzo-elektrisch materiaal piëzokeramiek zijn kristallijne materialen die een spanning genereren tussen hun twee uiteinden wanneer er druk op wordt uitgeoefend. In 1880 ontdekten de Franse natuurkundigen P. Curie en de broers J. Curie dat wanneer een zwaar voorwerp op een kwartskristal wordt geplaatst, sommige oppervlakken van het kristal ladingen genereren, en dat de hoeveelheid lading evenredig is aan de druk. Dit fenomeen wordt het piëzo-elektrisch effect genoemd. Onmiddellijk daarna ontdekten de gebroeders Curie het omgekeerde piëzo-elektrische effect, dat wil zeggen dat het piëzo-elektrische lichaam vervormt onder invloed van een extern elektrisch veld. Het mechanisme van het piëzo-elektrische effect is: het kristal met piëzo-elektriciteit heeft een lage symmetrie. Wanneer het wordt vervormd door een externe kracht, zorgt de relatieve verplaatsing van de positieve en negatieve ionen in de eenheidscel ervoor dat de positieve en negatieve ladingscentra elkaar niet langer overlappen, wat resulteert in macroscopische polarisatie van het kristal, terwijl de oppervlakteladingsoppervlaktedichtheid van het kristal gelijk is aan de projectie van de polarisatie-intensiteit op de normale richting van het oppervlak, dus wanneer het piëzo-elektrische materiaal wordt vervormd door druk, zullen er ladingen van tegengestelde tekens verschijnen op de twee uiteinden van het piëzo-elektrische materiaal. Omgekeerd, wanneer een piëzo-elektrisch materiaal gepolariseerd is in een elektrisch veld, vervormt het materiaal als gevolg van de verplaatsing van het ladingscentrum.

 

Piëzo-elektrische plaatsensor kan elektrische velden genereren als gevolg van mechanische vervorming, en kan ook mechanische vervorming genereren als gevolg van de werking van elektrische velden. Dit inherente elektromechanische koppelingseffect zorgt ervoor dat piëzo-elektrische materialen op grote schaal worden gebruikt in de techniek. Piëzo-elektrische materialen zijn bijvoorbeeld gebruikt om slimme constructies te maken. Naast zelfdragende capaciteiten hebben dergelijke structuren ook functies zoals zelfdiagnose, zelfaanpassing en zelfgenezing, en zullen ze een belangrijke rol spelen in het toekomstige vliegtuigontwerp.

 

Technische parameters van piëzo-elektrische materialen:

 

Piëzo-elektrische coëfficiënt d33

 

Piëzo-elektrische coëfficiënt is de conversiecoëfficiënt van piëzo-elektrisch keramiekkristal dat mechanische energie omzet in elektrische energie of elektrische energie omzet in mechanische energie, wat de koppelingsrelatie weerspiegelt tussen de elastische eigenschappen en diëlektrische eigenschappen van piëzo-elektrische materialen

 

Vrije permittiviteit ε T33 (vrije permittiviteit)

 

De permittiviteit van een diëlektricum bij nul (of constante) rek, uitgedrukt in Farads/meter.

 

Relatieve permittiviteit ε Tr3 (relatieve permittiviteit)

 

De verhouding van de diëlektrische constante ε T33 tot de vacuümdiëlektrische constante ε 0, ε Tr3= ε T33/ ε 0, is een dimensieloze fysieke grootheid.

 

Diëlektrisch verlies (diëlektrisch verlies)

 

Het diëlektricum is de energie die verloren gaat in het diëlektricum als gevolg van het elektrische polarisatie-relaxatieproces en lekgeleiding onder invloed van het elektrische veld.

 

Verlieshoektangens tg δ (raaklijn van verlieshoek)

 

Onder invloed van een sinusoïdaal elektrisch wisselveld is de stroom die in een ideaal diëlektricum vloeit 90 ° voor op de spanningsfase, maar in het piëzo-elektrische keramische monster is de fasehoek ψ van de stroomgeleider als gevolg van energieverlies kleiner dan 900, en de complementaire hoek δ ( δ + ψ = 900) wordt de verlieshoek genoemd, wat een dimensieloze fysieke grootheid is. Mensen gebruiken gewoonlijk de verliestangens tg δ om de grootte van het diëlektrische verlies weer te geven, dat de verhouding weergeeft van het actieve vermogen (verliesvermogen) P van het diëlektricum tot het reactieve vermogen Q. Dat wil zeggen: elektrische kwaliteitsfactor Qe (elektrische kwaliteitsfactor)

 

De waarde van de elektrische kwaliteitsfactor is gelijk aan het omgekeerde van de verliestangenswaarde van het monster, uitgedrukt door Qe, wat een dimensieloze fysieke grootheid is. Als het parallelle equivalente circuit wordt gebruikt om het piëzo-elektrische keramische monster in het wisselende elektrische veld weer te geven, dan is Qe=1/tg δ = ω CR

 

Mechanische kwaliteitsfactor Qm (mechanische kwaliteitsfactor)

 

De verhouding van de mechanische energie die wordt opgeslagen door de piëzo-elektrische plaatvibrator die resoneert met de mechanische energie die verloren gaat in één cyclus, wordt de mechanische kwaliteitsfactor genoemd. De relatie tussen deze parameter en de oscillatorparameters is: Poisson-verhouding

 

De verhouding van Poisson verwijst naar de verhouding van de laterale relatieve krimp en de longitudinale relatieve verlenging van een vaste stof onder spanning, en is een dimensieloze fysieke grootheid uitgedrukt door δ : δ = - S 12 /S11

 

Serieresonantiefrequentie fs (serieresonantiefrequentie)

 

De resonantiefrequentie van de serietak in het equivalente circuit van de piëzo-elektrische vibrator wordt de serieresonantiefrequentie genoemd, uitgedrukt door fs,

Parallelle resonantiefrequentie fp (parallelle resonantiefrequentie)

 

De resonantiefrequentie van de parallelle tak in het equivalente circuit van de piëzo-elektrische vibrator wordt de parallelle resonantiefrequentie genoemd, weergegeven door fp, dat wil zeggen fp = resonantiefrequentie fr (resonantiefrequentie)

 

De lagere frequentie van een paar frequenties die de susceptantie van de piëzo-elektrische vibrator nul maakt, wordt de resonantiefrequentie genoemd, weergegeven door fr.

 

Antiresonantiefrequentie fa (antiresonantiefrequentie)

 

De hogere frequentie van een paar frequenties die de susceptantie van de piëzo-elektrische vibrator nul maakt, wordt de antiresonantiefrequentie genoemd, uitgedrukt door fa.

 

Maximale toegangsfrequentie fm (maximale toegangsfrequentie)

 

De frequentie waarbij de toelating van de piëzo-elektrische vibrator groot is, wordt de grote toelatingsfrequentie genoemd. Op dit moment is de impedantie van de vibrator klein, daarom wordt deze ook wel de kleine impedantiefrequentie genoemd, uitgedrukt door f m.

 

Kleine toelatingsfrequentie fn (minimale toelatingsfrequentie)

 

De frequentie waarbij de toelating van de piëzo-elektrische vibrator klein is, wordt de kleine toelatingsfrequentie genoemd. Op dit moment is de impedantie van de vibrator groot, daarom wordt deze ook wel de grote impedantiefrequentie genoemd, uitgedrukt door f n.

 

grondfrequentie

 

De lage resonantiefrequentie in een bepaalde trillingsmodus wordt de toonhoogtefrequentie genoemd en wordt gewoonlijk de grondfrequentie.

 

Boventoonfrequentie (fundamentele frequentie)

 

De andere resonantiefrequenties dan de grondfrequentie in een bepaalde trillingsmodus worden boventoonfrequenties genoemd.

 

temperatuur stabiliteit

 

Temperatuurstabiliteit verwijst naar het kenmerk dat de prestaties van piëzo-elektrische keramiek veranderen met de temperatuur.

 

Bij een bepaalde temperatuur, wanneer de temperatuur met 1 ° C verandert, wordt de verhouding van de numerieke verandering van een bepaalde frequentie tot de numerieke waarde van de frequentie bij deze temperatuur de temperatuurcoëfficiënt van frequentie TKf genoemd.

 

Bovendien wordt meestal een grote relatieve drift gebruikt om de temperatuurstabiliteit van een bepaalde parameter te karakteriseren.

 

Relatieve frequentieverschuiving bij positieve temperatuur= △ fs (grote positieve temperatuur)/fs(25 ℃ )

 

Grote relatieve frequentieverschuiving bij negatieve temperatuur= △ fs (grote negatieve temperatuur)/fs(25 ℃ )

 

Elektromechanische koppelingscoëfficiënt (ELEKTRO MECHANISCHE KOPPELINGSCOEFFICIËNT)

 

De elektromechanische koppelingscoëfficiënt K is de vierkantswortel van de verhouding van de elastisch-diëlektrische interactie-energiedichtheid vierkant V122 tot het product van de opgeslagen elastische energiedichtheid V1 en de diëlektrische energiedichtheid V2.

 

Piëzo-elektrische keramiek gebruikt gewoonlijk de volgende vijf basiskoppelingscoëfficiënten

 

A. Vlakke elektromechanische koppelingscoëfficiënt KP (weerspiegelt de polarisatie en elektrische excitatie van de dunne schijf langs de dikterichting, en is een parameter van het elektromechanische koppelingseffect tijdens radiale rekvibratie.)

 

B. Transversale elektromechanische koppelingscoëfficiënt K31 (parameters die het elektromechanische koppelingseffect van de dunne strook weerspiegelen langs de polarisatie in de dikterichting en elektrische excitatie voor trillingen in de lengterichting.)

 

C. Longitudinale elektromechanische koppelingscoëfficiënt K33 (een parameter die het elektromechanische koppelingseffect van de dunne staaf weergeeft in de lengterichting van polarisatie en elektrische excitatie voor lengtestrekvibratie.)

 

D. De elektromechanische koppelingscoëfficiënt KT van dikteuitrekking

 

E. Elektromechanische koppelingscoëfficiënt voor dikteafschuiving K15 (weerspiegelt de polarisatie van de rechthoekige plaat in de lengterichting, de richting van het elektrische excitatieveld staat loodrecht op de polarisatierichting en wordt gebruikt als parameter voor het elektromechanische koppelingseffect tijdens dikteschuifvibratie.)

 

Piëzo-elektrische spanningsconstante D (PIEZOELEKTRISCHE STRAIN CONSTANT)

 

De piëzo-elektrische spanningsconstante is de verhouding tussen de verandering van de spanningscomponent SI en de verandering van EI veroorzaakt door de verandering van de elektrische veldcomponent E onder de voorwaarde dat zowel de spanning T als de elektrische veldcomponent EM (M ≠ I) constant zijn.

 

Piëzo-elektrische spanningsconstante G (PIEZELEKTRISCHE SPANNINGCONSTANTE)

 

De constante is de verhouding van de verandering van de elektrische veldintensiteitscomponent EI veroorzaakt door de verandering van de spanningscomponent TI en de verandering van TI onder de voorwaarde dat de elektrische verplaatsing D en de spanningscomponent TN (N ≠ I) beide constant zijn.

 

Curietemperatuur TC (CURIETEMPERATUUR)

 

Piëzo-elektrische keramiek heeft alleen binnen een bepaald temperatuurbereik een piëzo-elektrisch effect. Het heeft een kritische temperatuur TC. Wanneer de temperatuur hoger is dan TC, ondergaat het piëzo-elektrische keramiek een structurele faseovergang. Deze kritische temperatuur TC wordt de Curietemperatuur genoemd.

 

Temperatuurstabiliteit (TEMPERATUURSTABILITEIT)

 

Verwijst naar de kenmerken van de prestaties van piëzo-elektrische keramische transducers die veranderen met de temperatuur. Over het algemeen zijn er twee methoden om de temperatuurstabiliteit te beschrijven: temperatuurcoëfficiënt of grote relatieve drift.

 

Tien keer de verouderingssnelheid (AGEING RATE PER DECADE) Y vertegenwoordigt een bepaalde parameter

 

Frequentieconstante (FREQUENTIECONSTANT)

 

Voor de radiale en transversale lengtestrekkende trillingsmodi is de frequentieconstante het product van de serieresonantiefrequentie en de elementafmeting (diameter of lengte) die deze frequentie bepaalt. Voor longitudinale lengtedikte- en rek-schuiftrillingsmodi is de frequentieconstante het product van de parallelle resonantiefrequentie en de vibratorgrootte (lengte of dikte) die deze frequentie bepaalt, en de eenheid ervan: HZ.M