Viktige bruksområder for piezoelektrisk keramikk

                           Viktige bruksområder for piezoelektrisk keramikk

Piezoelektrisk keramikk har blitt mye brukt på grunn av deres piezoelektrisitet og mangfoldet av elektromekaniske egenskaper forårsaket av piezoelektrisitet. På grunn av det store utvalget av piezoelektriske keramiske enheter og deres brede spekter av applikasjoner, er det vanskelig å strengt klassifisere dem ved hjelp av en enkel metode. Generelle applikasjoner kan grovt deles inn i to kategorier: piezoelektriske vibratorer og piezoelektriske svingere.

1. Svinger

Anvendelsen av den piezoelektriske effekten er variert, og en av de viktigste er å bruke dens s transduseregenskaper  . Det er energikonverteringskarakteristikk , det  er  effekten av elektrisitet som påføres den piezoelektriske keramikken, den elektriske energien kan omdannes til mekanisk energi gjennom den omvendte spenningseffekten; Den elektriske effekten konverterer mekanisk energi til elektrisk energi. Folk bruker denne fysiske egenskapen til piezoelektrisk keramikk til å produsere mange typer piezoelektriske enheter, som er mye brukt i undervannskommunikasjon, ultralyd, høyspenttenning og andre felt.

1, Piezoelektrisk keramisk tenner

Dette er en enhet som konverterer mekanisk kraft til elektriske gnister for å antenne brennbare stoffer. Det er en elektromekanisk transduser. I 1958 var han banebrytende for bruken av piezoelektrisk effekt av bariumtitanat (BaTiO3) keramikk for tenning. Antenningshastigheten på denne piezo element piezo stang er ikke høy, og støyen er stor. I 1962 ble blyzirkonattitanat (PZT) piezoelektrisk keramikk brukt til å lage tennere. Denne typen tenner er mye brukt i dagliglivet, industriell produksjon og militære anliggender, og brukes til å tenne og detonere gasser, forskjellige eksplosiver og raketter.

(1) Grunnprinsipp: Arbeidsprosessen til tenneren er delt inn i tre stadier: høyspenningsgenerering, utladningstenning og tenning av brennbar gass. Høyspenningsgenerering - Ta sylindriske piezoelektriske keramiske elementer som et eksempel, når den mekaniske kraften F virker på sylinderen, vil krystallen bli forvrengt, noe som fører til at sentrum av positive og negative ladninger i krystallen forskyves, slik at en stor mengde frie ladninger vil vises på de øvre og nedre overflatene av sylinderen som akkumulerer en høyspenningsutgang. Utgangsspenningen er: V=ga3Fh/A, hvor A——sylinderens tverrsnittsareal; h——høyden på sylinderen; ga3——den piezoelektriske spenningskonstanten. Utladningstenning - legg det piezoelektriske keramiske elementet i en lukket krets og la et passende gap. Når spenningen stiger til utladningsspenningen til gapet, vil det genereres en utladningsgnist i gapet. Antennelse av brennbar gass - generell brenngass er ikke lett å brenne, så etan som er lett å forgasse brukes mest. For å forlenge utladningstiden og forhindre at gnisten slukkes for raskt, for å øke opptenningshastigheten. En passende motstand kan kobles i serie ved utladningsenden.

 

(2) Strukturen og arbeidsprinsippet til tenneren , her er mange typer tennere, og husholdningens piezoelektriske tenner er tatt som et eksempel for å illustrere strukturen og arbeidsprinsippet. Den kan festes på husholdningskomfyren for å tenne gassen, vri kambryteren, den  bruker den utstikkende delen av kammen til å skyve slagblokken og komprimere fjæren bak slagblokken. Når den utstikkende delen av kammen bryter bort fra slagblokken, på grunn av fjærens elastiske kraft, gir slagblokken det  piezokeramiske piezoelektriske .elementet en slagkraft, som genererer høy spenning i begge ender av det piezoelektriske elementet, og sender ut høyspenning fra midtelektroden for å generere en elektrisk gnist for å antenne gassen.

 

2. Akustisk undervannstransduser

En akustisk undervannstransduser er en transduserenhet som brukes til undervannskommunikasjon og deteksjon. Folk vet at luftkommunikasjon og deteksjon hovedsakelig er avhengig av elektromagnetiske bølger, som radiokommunikasjon og radarutstyr, etc., alle er avhengige av elektromagnetiske bølger for å overføre informasjon i luften. Det er ikke mulig å bruke elektromagnetiske bølger til undervannskommunikasjon og deteksjon. Dette er fordi elektromagnetiske bølger har et stort forplantningstap i vann, og de vil bli absorbert av noen som ikke reiser langt. Utbredelsestapet av lydbølger i vann er imidlertid svært lite, så undervannskommunikasjon og deteksjon bruker hovedsakelig Lydbølger brukes til å overføre informasjon, og instrumentene som genererer og oppdager lydbølger kalles sonarsystemer. Ekkoloddsystemer er uunnværlige verktøy for undervannsnavigasjon, kommunikasjon, deteksjon av ubåter og fiskestimer, og havforskning. Folk sammenligner ekkolodd i vannet med radar i luften, og øynene og ørene til sonarsystemet er akustiske undervannstransdusere. Forskning på akustiske undervannstransdusere begynte i første verdenskrig. Frankrikes Langevin brukte først kvartskrystaller til å lage akustiske undervannstransdusere basert på den piezoelektriske effekten. Selv om den akustiske undervannstransduseren laget av Lang Zhiwan var begrenset av tekniske forhold på den tiden og faktisk ikke ble brukt på dyphavsubåter, ga den et betydelig bidrag til utviklingen av akustisk undervannsvitenskap i fremtiden. Langevin-svingeren bruker den omvendte spenningseffekten til kvartskrystallen for å sende ut lydbølger i vannet, piezo keramikkrør mottar lydbølgene som returneres fra vannet gjennom den positive spenningseffekten, og utfører noen undervannsmålinger i henhold til den frem- og tilbakegående tiden til pulslydbølgene.

Folk har drevet dyptgående og systematisk forskning på piezoelektriske akustiske undervannstransdusere for å gjøre dem praktiske. Imidlertid var de viktigste piezoelektriske materialene som ble brukt på den tiden vannløselige piezoelektriske krystaller - Roche-salt og kaliumdioksyfosfat. På slutten av 1950-tallet dukket det opp piezoelektrisk keramikk. Å lage akustiske undervannstransdusere med piezoelektrisk keramikk har nesten blitt det viktigste piezoelektriske materialet valgt av folk. Fordi det har mange egenskaper som piezoelektriske krystaller ikke hadde tidligere, har det blitt det mest ideelle piezoelektriske materialet for å lage akustiske undervannstransdusere, og det er ikke noe annet materiale som kan matche det. De viktigste fordelene med piezoelektriske keramiske akustiske undervannstransdusere er:

(1) Ikke behov for DC-forspenning og spole, vibrasjonssystemet er enkelt;

(2) Den piezoelektriske keramiske transduseren er liten i størrelse og har utmerkede egenskaper;

(3) Piezoelektriske keramiske transdusere kan lages i hvilken som helst form etter behov.

Piezoelektriske transdusere er den mest brukte typen transdusere innen akustisk undervannsteknologi. Ytelsesindikatorene til akustiske undervannstransdusere trenger kun å ha driftsfrekvens, elektromekanisk koblingskoeffisient, elektromekanisk konverteringskoeffisient, kvalitetsfaktor, frekvenskarakteristikk, impedanskarakteristikk, retningsegenskaper, amplitudekarakteristikk, overføringsfølsomhet, mottaksfølsomhet, sendereffekt, temperatur- og tidsstabilitetsvekt, etc., så det er imidlertid ikke nødvendig med mekanisk styrke for en transducer. mange indekskrav uansett anledning, men å fremsette ulike og representative indekskrav i henhold til bruks- og anvendelsesforhold.

For det andre den piezoelektriske vibratoren

Etter utseendet til PZT piezoelektrisk keramikk , det er mulig å lage keramiske filtre. Keramiske filtre med forskjellige frekvenser kan lages ved å bruke forskjellige vibrasjonsmoduser for piezoelektriske vibratorer. Den tidligste brukte vibrasjonsmodusen er radiell vibrasjon eller konturvibrasjon, noe som gjør 455 kHz filter. Senere utviklet frekvensen av keramiske filtre seg til begge ender, med den høye enden som nådde 10MHz og den lave enden nådde under 1kHz. På grunn av bruken av energifellemodus er frekvensen til det keramiske filteret så høy som 100MHz, det akustiske overflatebølgefilteret eksitert av den interdigitale transduseren har nådd over 1GHz, og den høyeste frekvensen til det akustiske overflatebølgefilteret ved bruk av piezoelektrisk keramikk som underlag har vært opptil 630MHz.

Den piezoelektriske transformatoren er også en vibrator når det gjelder dens anvendelse, og dens grunnleggende struktur er å sette to sett med elektroder på den piezoelektriske keramiske kroppen for å danne fire terminaler. Å legge til et elektrisk signal til primærsiden får det til å resonere, og sekundærsiden har en utgang. På denne måten fungerer den som en transformator på tidspunktet for resonans. Forskningen på piezoelektriske transformatorer startet tidligere. Kraften og drivspenningen til piezoelektriske transformatorer laget av monolitisk keramikk er ikke lett å øke. Den flerlags piezoelektriske transformatoren er produsert med samme flerlags komposittteknologi som den monolittiske kondensatorproduksjonsteknologien, og kraften og drivspenningen er kraftig forbedret, noe som ytterligere utvider bruksområdet til den piezoelektriske transformatoren.

 

1. Piezoelektrisk transformator

Piezoelektriske transformatorer har blitt utviklet siden 1950-tallet. På den tiden ble bariumtitanat brukt som hovedmateriale. Boost-forholdet er lavt (bare 50~60 ganger). Utgangsspenningen er ca 3000V. Med fremveksten av blyzirkonattitanat piezoelektriske keramiske materialer, økes opptrappingsforholdet til 300 ~ 500 ganger, og det blir gradvis popularisert og brukt i TV-er, elektrostatiske kopimaskiner og negative iongeneratorer som høyspente strømforsyninger.

(1) Grunnleggende prinsipper. Den elektriske vibrasjonsenergien som tilføres den piezoelektriske keramikken omdannes til mekanisk vibrasjonsenergi gjennom den inverse piezoelektriske effekten, og deretter omdannes til elektrisk energi gjennom den positive piezoelektriske effekten. Impedanskonvertering (fra lavimpedans til høyimpedans) realiseres under disse to energiomformingene, slik at høy piezoelektrisk utgang kan oppnås ved resonansfrekvensen til det keramiske arket. Ta nå de horisontale og vertikale transformatorene med strekkvibrasjoner som et eksempel for å illustrere transformatorprinsippet.

 

Hele den keramiske brikken er delt i to deler, den venstre delen er inngangsenden (også kjent som drivdelen), det er brente sølvelektroder på øvre og nedre side, polarisert langs tykkelsesretningen, den høyre delen er utgangsenden (også kjent som kraftgenereringsdelen), og den høyre delen er utgangsenden (også kjent som kraftproduksjonsdelen). Det er brente sølvelektroder på overflaten. Polarisert langs lengden. Når en vekselspenning påføres inngangsenden, på grunn av den omvendte spenningseffekten, vil det keramiske stykket produsere strekkvibrasjoner langs lengderetningen, som vil konvertere den elektriske inngangsenergien til mekanisk energi; mens kraftgenereringsdelen vil konvertere mekanisk energi til elektrisk energi gjennom den positive spenningseffekten, og deretter overføre den fra utgangsenden Utgangsspenningen. Når det ikke er noen belastning, er forsterkningsforholdet for åpen krets, Qm den mekaniske kvalitetsfaktoren til materialet; K31, K33 er de langsgående og tverrgående elektromekaniske koblingskoeffisientene til materialet; L er lengden på kraftgenereringsdelen; t er tykkelsen på transformatoren. Piezoelektriske transformatorer brukes hovedsakelig i tilfelle av høyspenning, laveffekt og sinusbølgekonvertering, og har unike fordeler som høy utgangsspenning, lav vekt, liten størrelse, ingen lekkasjemagnetisk felt og ingen forbrenning. For å oppnå flere spenningsutganger, i henhold til utgangsspenningen til den horisontale-vertikale transformatoren er proporsjonal med lengden, jo nærmere slutten av kraftgenereringsdelen, jo høyere spenning, og elektroder kan lages i forskjellige posisjoner av kraftgenereringsdelen som akselhoder for å oppnå forskjellige spenningsutganger.

 

(2) Det grunnleggende arbeidsprinsippet og egenskapene til monolitiske (flerlags) piezoelektriske keramiske transformatorer. Piezoelektrisk keramikk er et sprøtt materiale. For å sikre dens mekaniske styrke, må den piezoelektriske transformatoren ha en viss tykkelse, og drivspenningen til den ovennevnte transformatoren er ganske begrenset. Av denne grunn ble det monolitiske (flerlags) piezoelektriske keramiske transformatorprosjektet til. Etter å ha tatt i bruk den monolitiske (flerlags) strukturen, kan tykkelsen og antall lag av hvert enkelt lag justeres, og drivspenningen er ikke lenger begrenset, slik at spenningen kan lages Elektriske transformatorer kan fungere i den beste tilstanden uansett hvilken drivspenning de er i.

Kjerneteknologiene i dette prosjektet er submikron lavtemperatursintret piezoelektriske keramiske materialer , intern elektrode samfyringsteknologi, polarisasjonsbehandlingsteknologi og strukturell design. Monolittiske (flerlags) piezoelektriske keramiske transformatorer (MPTs) er tredje generasjon elektroniske transformatorer med følgende funksjoner.

① Ultratynn: tykkelsen overstiger vanligvis ikke 4 mm.

②Høy konverteringseffektivitet: over 97 % ved full belastning (resistiv belastning).

③ Den har selvbeskyttelsesfunksjonen for automatisk avskjæring av lastkortslutning.

④Resonanstransformator: Den kan realisere null spenning og null strømkonvertering.

⑤ Den har kvasi-konstante strømutgangsegenskaper for lavimpedansbelastninger.

⑥ Ingen omvendt toppspenning, pålitelig beskyttelse av effektforsterkerkretsen.

⑦ Ingen elektromagnetisk interferens.

⑧Ingen spiralhavari, muggbrudd.

⑨Saltspraymotstand, god værbestandighet, spesielt egnet for bruk i havklima.

 

2. Piezoelektrisk keramisk pickup og høyttaler

Piezoelektriske keramiske transdusere er mye brukt i elektroakustisk utstyr, for eksempel piezoelektriske keramiske pickuper og høyttalere.

(1) Dobbeltmembranvibrator (Figur 6-16). Elektroakustisk utstyr krever lav mekanisk impedans og kan matche lydkilden eller vibrasjonskilden, og den piezoelektriske vibratoren med dobbel membran kan oppfylle disse kravene. Den er laget av to piezoelektriske keramiske plater som er strekkbare i lengden. Når det ene stykket strekkes, blir det andre stykket forkortet, og hele bøyer seg.

 

Det gir arbeidsprinsippet til vibratoren med dobbel membran. Når et stykke piezoelektrisk keramikk med en viss tykkelse bøyes under kraft, blir den ene siden av tykkelsen forlenget, og den andre siden komprimeres. På dette tidspunktet vil ladninger genereres inne i det keramiske stykket. , men fordi polarisasjonsretningen til hele membranen er den samme, er oversiden forlenget, og undersiden komprimeres, noe som gjør at det elektriske dipolmomentet blir motsatt, og oversiden og undersiden har samme ladningstegn, så det er ingen potensialforskjell, som vist i figur 6-16 (a ) vist. Hvis det i stedet brukes en dobbelmembranstruktur med to overliggende ark, kan en spenningsutgang oppnås når kraften bøyes. Figur 6-16(b) bruker to diafragmaer med motsatte polarisasjonsretninger koblet i serie. Når en kraft påføres, strekker den øvre seg og den nedre komprimeres. Siden polarisasjonsretningene er motsatte, er den øvre og nedre siden av den doble membranen ladet med motsatte fortegn, og en spenningsutgang kan oppnås. Figur 6-16(c) er dannet ved å koble to membraner med samme polarisasjonsretning parallelt, og utgangsspenningen kan også oppnås.

 

(2) Piezoelektrisk keramisk høyttalerstruktur og arbeidsprinsipp: Piezoelektrisk keramisk høyttaler er en enkel og lett elektroakustisk enhet med høy følsomhet, ingen magnetfeltspillover, ikke behov for kobberledninger og magneter, lav pris, lavt strømforbruk, enkel reparasjon, enkel masseproduksjon, etc.

Drivsystemet er en piezoelektrisk keramisk dobbel membran, vibrasjonssystemet er en papirkjegle, og koblingselementet overfører effektivt drivsystemets energi til vibrasjonssystemet. Når du arbeider, omdannes den elektriske energien til den piezoelektriske keramiske doble membranen til mekanisk energi, som overføres til papirkjeglen gjennom koblingselementet for å få den til å vibrere og høres. Den piezoelektriske dobbelmembranen har en relativt høy impedans, som utgjør en spenningsdrift. Forholdet mellom kraften F og spenningen V er F=KV, og K er proporsjonal koeffisient. Hvis den mekaniske vibrasjonsimpedansen inkludert strålingsimpedansen er Z, er vibrasjonshastigheten: v=F/Z, lydtrykket P ved midten r av den høye membranen kan oppnås. |P|=10fρS/r |v| hvor: f—frekvens; ρ—middels tetthet; S—effektivt område av vertebralkroppen. I tillegg kan andre elektroakustiske energiomformere lages i henhold til den piezoelektriske effekten av piezoelektrisk keramikk, for eksempel sendere, mottakere, summer, etc....