Introduksjon til piezoelektriske materialer og tekniske parametere

Piezoelektrisk materiale piezokeramikk er krystallinske materialer som genererer en spenning mellom deres to ender når det påføres trykk. I 1880 oppdaget de franske fysikerne P. Curie og J. Curie-brødrene at når en tung gjenstand plasseres på en kvartskrystall, vil noen overflater av krystallen generere ladninger, og ladningsmengden er proporsjonal med trykket. Dette fenomenet kalles den piezoelektriske effekten. Umiddelbart etterpå oppdaget Curie-brødrene den omvendte piezoelektriske effekten, det vil si at den piezoelektriske kroppen deformeres under påvirkning av et eksternt elektrisk felt. Mekanismen for den piezoelektriske effekten er: krystallen med piezoelektrisitet har lav symmetri. Når den deformeres av en ytre kraft, gjør den relative forskyvningen av de positive og negative ionene i enhetscellen at de positive og negative ladningssentrene ikke lenger overlapper hverandre, noe som resulterer i makroskopisk polarisering av krystallen, mens overflateladningens overflatetetthet til krystallen er lik projeksjonen av polarisasjonsintensiteten på overflatens normalretning, så når ladningen deformeres av trykket av optisk trykk vil materialet vises på trykket. to ender av det piezoelektriske materialet. Motsatt, når et piezoelektrisk materiale er polarisert i et elektrisk felt, deformeres materialet på grunn av forskyvningen av ladesenteret.

 

Piezoelektrisk platesensor kan generere elektriske felt på grunn av mekanisk deformasjon, og kan også generere mekanisk deformasjon på grunn av virkningen av elektriske felt. Denne iboende elektromekaniske koblingseffekten gjør piezoelektriske materialer mye brukt i konstruksjon. For eksempel har piezoelektriske materialer blitt brukt til å lage smarte strukturer. I tillegg til selvbærende evner, har slike strukturer også funksjoner som selvdiagnose, selvtilpasning og selvhelbredelse, og vil spille en viktig rolle i fremtidig flydesign.

 

Tekniske parametere for piezoelektriske materialer:

 

Piezoelektrisk koeffisient d33

 

Piezoelektrisk koeffisient er konverteringskoeffisienten til piezoelektrisk keramikkkrystall som konverterer mekanisk energi til elektrisk energi eller konverterer elektrisk energi til mekanisk energi, som reflekterer koblingsforholdet mellom de elastiske egenskapene og dielektriske egenskapene til piezoelektriske materialer

 

Fri permittivitet ε T33 (fri permittivitet)

 

Permittiviteten til et dielektrikum ved null (eller konstant) tøyning, uttrykt i Farads/meter.

 

Relativ permittivitet ε Tr3 (relativ permittivitet)

 

Forholdet mellom dielektrisitetskonstanten ε T33 og vakuum-dielektrisitetskonstanten ε 0, ε Tr3= ε T33/ ε 0, er en dimensjonsløs fysisk størrelse.

 

Dielektrisk tap (dielektrisk tap)

 

Dielektrikumet er energien som går tapt i dielektrikumet på grunn av den elektriske polarisasjonsrelaksasjonsprosessen og lekkasjeledning under påvirkning av det elektriske feltet.

 

Tapsvinkel tangent tg δ (tangens av tapsvinkel)

 

Under påvirkning av et sinusformet vekslende elektrisk felt er strømmen som flyter i et ideelt dielektrikum 90 0 foran spenningsfasen, men i den piezoelektriske keramiske prøven, på grunn av energitap, er fasevinkelen ψ til strømledningen mindre enn 900, og dens komplementære vinkel δ ( δ 0 + ψ er en fysisk dimensjon, som kalles en fysisk dimensjon 0) mengde. Folk bruker vanligvis tapstangenten tg δ for å representere størrelsen på det dielektriske tapet, som representerer forholdet mellom den aktive effekten (tapseffekten) P til dielektrikumet og den reaktive effekten Q . Det vil si: elektrisk kvalitetsfaktor Qe (elektrisk kvalitetsfaktor)

 

Verdien av den elektriske kvalitetsfaktoren er lik den gjensidige av taptangensverdien til prøven, uttrykt ved Qe, som er en dimensjonsløs fysisk størrelse. Hvis den parallellekvivalente kretsen brukes til å representere den piezoelektriske keramiske prøven i det vekslende elektriske feltet, så Qe=1/tg δ = ω CR

 

Mekanisk kvalitetsfaktor Qm (mekanisk kvalitetsfaktor)

 

Forholdet mellom den mekaniske energien lagret av piezoelektrisk platevibrator ved resonans til den mekaniske energien som går tapt i en syklus kalles den mekaniske kvalitetsfaktoren. Forholdet mellom det og oscillatorparameterne er: Poisson-forhold

 

Poissons forhold refererer til forholdet mellom lateral relativ krymping og longitudinell relativ forlengelse av et fast stoff under spenning, og er en dimensjonsløs fysisk størrelse uttrykt ved δ : δ = - S 12 /S11

 

Serieresonansfrekvens fs (serieresonansfrekvens)

 

Resonansfrekvensen til seriegrenen i den ekvivalente kretsen til den piezoelektriske vibratoren kalles serieresonansfrekvensen, uttrykt ved fs ,

Parallell resonansfrekvens fp (parallell resonansfrekvens)

 

Resonansfrekvensen til parallellgrenen i den ekvivalente kretsen til den piezoelektriske vibratoren kalles den parallelle resonansfrekvensen, representert av fp, det vil si fp = resonansfrekvens fr (resonansfrekvens)

 

Den lavere frekvensen til et frekvenspar som gjør susceptansen til den piezoelektriske vibratoren null kalles resonansfrekvensen, representert ved fr .

 

Antiresonansfrekvens fa (antiresonansfrekvens)

 

Den høyere frekvensen til et frekvenspar som gjør susceptansen til den piezoelektriske vibratoren null kalles antiresonansfrekvensen, uttrykt ved fa .

 

Maksimal adgangsfrekvens fm (maksimal adgangsfrekvens)

 

Frekvensen når admittansen til den piezoelektriske vibratoren er stor kalles stor admittansfrekvens. På dette tidspunktet er impedansen til vibratoren liten, så den kalles også den lille impedansfrekvensen, uttrykt ved f m.

 

Liten inngangsfrekvens fn (minimum adgangsfrekvens)

 

Frekvensen hvor admittansen til den piezoelektriske vibratoren er liten kalles den lille admittansfrekvensen. På dette tidspunktet er impedansen til vibratoren stor, så den kalles også den store impedansfrekvensen, uttrykt ved f n.

 

grunnleggende frekvens

 

Den lave resonansfrekvensen i en gitt vibrasjonsmodus kalles tonehøydefrekvensen, og blir vanligvis grunnfrekvensen.

 

Overtonefrekvens (fundamental frekvens)

 

Andre resonansfrekvenser enn grunnfrekvensen i en gitt vibrasjonsmodus kalles overtonefrekvenser.

 

temperaturstabilitet

 

Temperaturstabilitet refererer til egenskapen at ytelsen til piezoelektrisk keramikk endres med temperaturen.

 

Ved en viss temperatur, når temperaturen endres med 1 ° C, kalles forholdet mellom den numeriske endringen av en viss frekvens og den numeriske verdien av frekvensen ved denne temperaturen temperaturkoeffisienten for frekvensen TKf.

 

I tillegg brukes vanligvis en stor relativ drift for å karakterisere temperaturstabiliteten til en bestemt parameter.

 

Relativt frekvensskift ved positiv temperatur = △ fs (stor positiv temperatur)/fs (25 ℃ )

 

Stort relativ frekvensskifte ved negativ temperatur = △ fs (stor negativ temperatur)/fs (25 ℃ )

 

Elektromekanisk koplingskoeffisient (ELECTRO MECHANICAL COUPLING COEFFICIENT)

 

Den elektromekaniske koblingskoeffisienten K er kvadratroten av forholdet mellom den elastisk-dielektriske interaksjonsenergitettheten V122 og produktet av den lagrede elastiske energitettheten VI og den dielektriske energitettheten V2.

 

Piezoelektrisk keramikk bruker vanligvis følgende fem grunnleggende koblingskoeffisienter

 

A. Plan elektromekanisk koblingskoeffisient KP (reflekterer polarisasjonen og elektrisk eksitasjon av den tynne skiven langs tykkelsesretningen, og er en parameter for den elektromekaniske koblingseffekten under radiell strekkvibrasjon.)

 

B. Tverrgående elektromekanisk koblingskoeffisient K31 (parametere som gjenspeiler den elektromekaniske koblingseffekten til den slanke stripen langs tykkelsesretningens polarisering og elektrisk eksitasjon for lengdestrekningsvibrasjoner.)

 

C. Longitudinell elektromekanisk koblingskoeffisient K33 (en parameter som reflekterer den elektromekaniske koblingseffekten til den tynne stangen langs lengderetningen av polarisasjonen og elektrisk eksitasjon for lengdestrekningsvibrasjoner.)

 

D. Den elektromekaniske koblingskoeffisienten KT for tykkelsesstrekking

 

E. Tykkelse skjær elektromekanisk koblingskoeffisient K15 (reflekterer polarisasjonen av den rektangulære platen langs lengderetningen, retningen til det elektriske eksitasjonsfeltet er vinkelrett på polarisasjonsretningen, og brukes som en parameter for den elektromekaniske koblingseffekten under tykkelsesskjærvibrasjon.)

 

Piezoelektrisk tøyningskonstant D (PIEZOELECTRIC STRAIN CONSTANT)

 

Den piezoelektriske tøyningskonstanten er forholdet mellom endringen av tøyningskomponenten SI og endringen av EI forårsaket av endringen av den elektriske feltkomponenten E under forutsetning av at både spenningen T og den elektriske feltkomponenten EM (M ≠ I) er konstante.

 

Piezoelektrisk spenningskonstant G (PIEZOELECTRIC VOLTAGE CONSTANT)

 

Konstanten er forholdet mellom endringen av den elektriske feltintensitetskomponenten EI forårsaket av endringen av spenningskomponenten TI og endringen av TI under forutsetning av at den elektriske forskyvningen D og spenningskomponenten TN (N ≠ I) begge er konstante.

 

Curie temperatur TC (CURIE TEMPERATURE)

 

Piezoelektrisk keramikk har kun en piezoelektrisk effekt innenfor et visst temperaturområde. Den har en kritisk temperatur TC. Når temperaturen er høyere enn TC, gjennomgår den piezoelektriske keramikken en strukturell faseovergang. Denne kritiske temperaturen TC kalles Curie-temperaturen.

 

Temperaturstabilitet (TEMPERATURE STABILITY)

 

Refererer til egenskapene til ytelsen til piezoelektriske keramiske transdusere som endres med temperaturen. Generelt er det to metoder for å beskrive temperaturstabilitet: temperaturkoeffisient eller stor relativ drift.

 

Ti ganger aldringshastighet (ALDERINGSHASTIGHET PER tiår) Y representerer en bestemt parameter

 

Frekvenskonstant (FREKVENS KONSTANT)

 

For de radielle og tverrgående lengde-strekkende vibrasjonsmodusene er frekvenskonstanten produktet av serieresonansfrekvensen og elementdimensjonen (diameter eller lengde) som bestemmer denne frekvensen. For langsgående lengdetykkelse og strekkskjærvibrasjonsmoduser er frekvenskonstanten produktet av parallellresonansfrekvensen og vibratorstørrelsen (lengde eller tykkelse) som bestemmer denne frekvensen, og dens enhet: HZ.M