Aktualności

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

Charakterystyka tłumienia sprzężenia elektromechanicznego pomiędzy kryształem piezoceramicznym i 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 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 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. W związku z tym można zdefiniować odpowiednio charakterystykę tłumienia równoległej ceramiki piezoelektrycznej, współczynnik rozpraszania 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 z rezystancją szeregową zmienia się z dużej na małą, a rezystancja obwodu indukcyjności z rezystancją równoległą 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.