Aktualności

Jesteś tutaj: Dom / Aktualności / Podstawy ceramiki piezoelektrycznej / Charakterystyki tłumienia sprzężenia elektromechanicznego pomiędzy kryształem piezoelektrycznym i obwodem elektrycznym

Charakterystyki tłumienia sprzężenia elektromechanicznego pomiędzy kryształem piezoceramicznym a obwodem elektrycznym

Wyświetlenia: 4 Autor: Edytor witryny Czas publikacji: 2020-03-05 Pochodzenie: Strona

Pytać się

Ceramika piezoelektryczna, jako nowy funkcjonalny materiał ceramiczny, znalazła szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach techniki, w tym w zastosowaniach w zakresie kontroli drgań konstrukcji. Ze względu na zdolność do przekształcania energii mechanicznej i elektrycznej, można go zintegrować z systemem jako czujnik ultradźwiękowy lub element wykonawczy w celu aktywnej kontroli wibracji konstrukcji. Kiedy piezoelektryczne materiały ceramiczne i obwody zewnętrzne tworzą obwód zamknięty, ze względu na sprzężenie mechaniczne i elektryczne, będzie on wykazywał pewne właściwości tłumiące, które można wykorzystać do pasywnego sterowania konstrukcjami.

W 1979 roku Forward po raz pierwszy zaproponował możliwość zastosowania ceramiki piezoelektrycznej równolegle z elementami obwodów do kontroli wibracji, a następnie Hagood i von. W tym artykule teoretycznie modelowano mechaniczne i elektryczne właściwości sprzężenia ceramiki piezoelektrycznej i obwodów zewnętrznych oraz wpływ Rurka piezoceramiczna PZT drgań wspornika, gdy są one połączone równolegle odpowiednio z obwodem czystej rezystancji i obwodem rezystancji szeregowej. Wyniki eksperymentów są w dobrej zgodności z wynikami teoretycznymi, co systematycznie potwierdza wykonalność ceramiki piezoelektrycznej i obwodów zewnętrznych równolegle do kontroli wibracji. Od tego czasu wielu badaczy zaczęło inwestować w tę dziedzinę.

Aby lepiej zastosować właściwości tłumiące ultradźwiękowy przetwornik poziomu do kontroli drgań, na podstawie prac badawczych zawartych w niniejszej pracy, opracowano teoretyczny model charakterystyki tłumienia równoległego sprzężenia ceramiki piezoelektrycznej z obwodami rezystancyjnymi, indukcyjnością i rezystancyjną pojemnością oraz weryfikowano model teoretyczny w oparciu o układ wspornikowy, co stanowi teoretyczne podstawy do zastosowania ceramiki piezoelektrycznej w zakresie pasywnego fundamentu sterowania.

Charakterystyka tłumienia równoległej ceramiki piezoelektrycznej

Piezoelektryczne materiały ceramiczne mają właściwość przekształcania energii mechanicznej w energię elektryczną. Gdy ceramika piezoelektryczna zostanie poddana działaniu siły zewnętrznej, powierzchnia wytworzy ładunek elektryczny. Jeśli ceramika piezoelektryczna znajduje się w stanie obwodu, ładunek zgromadzi się na powierzchni ceramiki piezoelektrycznej. Kiedy ceramika piezoelektryczna tworzy zamknięty obwód z obwodem zewnętrznym, część ładunku elektrycznego zostanie zużyta w postaci energii cieplnej przez impedancję obwodu, to znaczy część energii mechanicznej zostanie uwolniona w postaci energii cieplnej. Jest to mechanizm, dzięki któremu ceramika piezoelektryczna i obwody zewnętrzne są połączone równolegle w celu pasywnej kontroli wibracji.

1.2 model teoretyczny

Z elektrycznego punktu widzenia ceramikę piezoelektryczną można uprościć jako model szeregowy źródła napięcia i kondensatora. Jest to odpowiednik modelu elektrycznego ceramiki piezoelektrycznej połączonej równolegle z obwodem zewnętrznym. Impedancja elektryczna systemu, gdy obwód zewnętrzny jest zamknięty lub otwarty. Impedancja mechaniczna jest równoważna sztywności mechanicznej materiałów piezoelektrycznych. Dlatego też można zdefiniować odpowiednio charakterystykę tłumienia równoległej ceramiki piezoelektrycznej, współczynnik rozproszenia energii ŋ i współczynnik sztywności e. Gdy obwody zewnętrzne są odpowiednio obwodem równoległym o rezystancji indukcyjności i oporowym obwodem szeregowym o ujemnej pojemności, można uzyskać model charakterystyki tłumienia materiału ceramiki piezoelektrycznej: charakterystyka tłumienia ceramiki piezoelektrycznej i współczynnik sprzężenia elektromechanicznego ceramiki piezoelektrycznej, częstotliwość robocza i współczynnik wibracji są ze sobą powiązane. Charakterystyka tłumienia równoległej ceramiki piezoelektrycznej jest związana z wieloma czynnikami, takimi jak charakterystyka ceramiki piezoelektrycznej, rodzaje obwodów zewnętrznych i specyficzne parametry obwodów. Wraz ze zmianą tych współczynników ceramika piezoelektryczna wykazuje inną charakterystykę tłumienia.

Badania symulacyjne W oparciu o system belek wspornikowych

W celu sprawdzenia wpływu rodzaju obwodu i związanych z nim parametrów na charakterystykę tłumienia układu równoległego piezoelektrycznych przetworników ceramicznych , opracowano zestaw układu symulacyjnego opartego na belce wspornikowej. Na powierzchnię belki wspornikowej nakleja się piezoelektryczną blachę ceramiczną PZT-5, powierzchnię belki uziemia się i pokazuje kierunek polaryzacji piezoelektrycznej blachy ceramicznej. Spośród czterech piezoelektrycznych płyt ceramicznych dwie to siłowniki, które są źródłami napędowymi drgań belki wspornikowej; jeden to czujnik, który odzwierciedla intensywność drgań odpowiedniego położenia na belce wspornikowej poprzez zmierzoną wartość napięcia; druga jest równoległa do obwodu zewnętrznego, pierwsza para piezoelektrycznych arkuszy ceramicznych ma wymiary 60 mm * 26,4 mm * 0,25 mm, a druga para ma wymiary 50 mm * 26,4 mm * 0,25 mm. Odległość pomiędzy lewym końcem dwóch par chipów piezoceramicznych a stałym końcem belki wspornikowej wynosi odpowiednio 18 mm i 100 mm. Istnieje zależność funkcji przenoszenia pomiędzy napięciem wejściowym elementu wykonawczego a napięciem wyjściowym czujnika. Porównując funkcję przenoszenia zewnętrznego obwodu równoległego w obwodzie otwartym i zamkniętym, można określić wpływ równoległej ceramiki piezoelektrycznej na drgania układu.

Zgodnie z powyższym modelem, wpływ ceramiki piezoelektrycznej na drgania układu belek wspornikowych symulowany jest w czterech przypadkach: jest to rezystancja, indukcyjność rezystancji szeregowej, indukcyjność rezystancji równoległej i pojemność ujemna rezystancji równoległej. Ujemna pojemność jest realizowana przez obwód konwersji ujemnej impedancji. Parametry ceramiki wspornikowej i piezoelektrycznej użyte w symulacji dotyczą tylko pierwszej postaci wspornika i uwzględniono wpływ zmiany rezystancji na charakterystykę tłumienia ceramiki piezoelektrycznej.

W różnych obwodach równoległych ceramika piezoelektryczna ma duży wpływ na wibracje układu belek wspornikowych. Dla tego samego obwodu efekt tłumienia zmienia się wraz ze zmianą wartości rezystancji, a z tendencji zmian wynika wartość optymalna. Jest to zgodne z modelem teoretycznym przedstawionym w poprzedniej części. Z porównania widać, że efekt tłumienia jest najmniejszy w przypadku połączenia równolegle z rezystancją, a największy w przypadku połączenia równolegle z oporowym obwodem szeregowym o ujemnej pojemności. Dla dwóch rodzajów obwodów równoległych o rezystancji indukcyjnej wpływ ceramiki piezoelektrycznej na system jest podobny, ale czułość tłumienia wraz ze zmianą rezystancji jest zupełnie inna. Co więcej, gdy rezystancja obwodu indukcyjności rezystancji szeregowej zmienia się z dużej na małą, a rezystancja obwodu indukcyjności rezystancji równoległej zmienia się z małej na dużą, tendencja ich wpływu na działanie układu wspornikowego jest taka sama. Biorąc pod uwagę charakterystykę tłumienia równoległych piezoceramików i jej wpływ na wydajność systemu, dokonano kompleksowego porównania.