Ştiri

Sunteți aici: Acasă / Ştiri / Bazele ceramicii piezoelectrice / Aplicarea traductorului din ceramică piezoelectrică

Aplicarea traductorului din ceramică piezoelectrică

Vizualizări: 1 Autor: Editor site Ora publicării: 2019-10-11 Origine: Site

Întreba

Ceramica piezoelectrică a fost utilizată pe scară largă datorită piezoelectricității lor și diversității rezultate din proprietăți electromecanice. Aceste aplicații pot fi împărțite în general în două mari categorii și anume ca vibratoare piezoelectrice. Când este utilizat ca vibrator piezoelectric, materialul ceramic piezoelectric trebuie să aibă o bună stabilitate a temperaturii în frecvență și un factor de calitate mecanic ridicat Q (Q indică gradul de consum intern de energie al materialului în timpul conversiei vibrațiilor); este necesar să fie folosit ca traductor. Factorul de cuplare mecanic ridicat K (conversie mecanică în energie electrică / energie mecanică de intrare, energie electrică în energie mecanică / energie electrică de intrare) și constantă dielectrică relativă mare, aplicarea ceramicii piezoelectrice este dată mai jos.

Aprindere ceramică piezoelectrică
Acesta este un dispozitiv care transformă forța mecanică într-o scânteie electrică pentru a aprinde arderea și este un traductor electromecanic. În 1958, efectul piezoelectric al ceramicii cu titanat de bariu (BaTiO) a fost folosit pentru aprindere. Cu toate acestea, acest material de Stratul ceramic piezoelectric are o rată scăzută de aprindere și zgomot ridicat. În 1962, testele de ceramică piezoelectrică cu zirconat de plumb (PZT) au fost folosite pentru a face aprinderi. Aprindetoarele sunt utilizate pe scară largă în viața de zi cu zi, producția industrială și aplicațiile militare pentru a aprinde gaze și diferite tipuri de explozibili și rachete.

I. Prezentare generală
Ceramica piezoelectrică este o peliculă policristalină cu efect piezoelectric, iar procesul său de producție poartă numele după procesul de producție similar (pulverizare materie primă, turnare, sinterizare la temperatură înaltă). Unele cristale anizotrope suferă deformare sub forța mecanică, determinând deplasarea relativă a particulelor de încărcare, rezultând sarcini legate pozitive și negative pe suprafața cristalului. Acest fenomen se numește efect piezoelectric. Această proprietate a cristalului se numește piezoelectricitate. Ceramica piezoelectrică a fost descoperită în 1880 de frații J. Curie și P. Curie. Câteva luni mai târziu au verificat experimental efectul piezoelectric invers, adică atunci când o tensiune este aplicată cristalului piezo, cristalul piezo va suferi o deformare geometrică. Înainte de 1940 se cunoșteau doar două tipuri de feroelectrici (nu doar polarizați spontan într-un anumit interval de temperatură, ci și polarizarea spontană a cristalelor care pot fi reorientate datorită intensității câmpului extern): unul este fosfatul dihidrogen de potasiu și echivalentul acestuia. Primul are piezoelectricitate la temperatura normala, si are valoare tehnica de utilizare, dar are dezavantajul de a fi usor de dizolvat; acesta din urmă are ceramică piezoelectrică la temperatură scăzută (sub -14 C), iar valoarea de utilizare a ingineriei nu este mare. S-a descoperit că titanatul de bariu (BaTiO) are o constantă dielectrică anormal de mare. Curând s-a descoperit că este piezoelectric, iar descoperirea ceramicii piezoelectrice BaTi O a reprezentat un salt cuantic pentru materialele piezoelectrice. Anterior, exista doar un material cristalin piezoelectric, iar ulterior un material policristalin piezoelectric, ceramica piezoelectrică a apărut și a fost utilizat pe scară largă. În 1947, Statele Unite au folosit ceramica BaTiO pentru a face pickup-uri pentru fonografe. Japonia l-a folosit doi ani. Materialul BaTiO are dezavantajul că piezoelectricitatea este mai slabă decât sarea de repaus și piezoelectricitatea este mai mare decât cristalul de cuarț cu temperatură. În 1954, B. Jaffe și alții au descoperit sistemul piezoelectric de soluție solidă PbZrO-PbTiO (PZT), care este un eveniment de epocă care a făcut imposibilă fabricarea dispozitivelor în BaTiO. De atunci, ceramica piezoelectrică transparentă PZT a fost dezvoltată pentru a extinde aplicarea ceramicii piezoelectrice în domeniul opticii. Până acum, aplicarea ceramicii piezoelectrice, de la dezvoltarea universului până la viața familiei, este extrem de extinsă. Cercetările Chinei asupra ceramicii piezoelectrice au început la sfârșitul anilor 1950, cu aproximativ 10 ani mai târziu decât țările străine. În prezent, există forțe destul de puternice în producția de probă și producția industrială a ceramicii piezoelectrice. Multe materiale au ajuns sau sunt aproape de nivel internațional.

Mecanismul fizic al piezoelectricității piezoceramice
Ceramica piezoelectrică sunt policristale a căror piezoelectricitate Senzorul cu disc piezo poate fi explicat prin piezoelectricitatea cristalului piezo. Sub acțiunea forței mecanice, momentul dipolului electric total (polarizarea) se modifică, rezultând un fenomen piezoelectric. Piezoelectricitatea este strâns legată de polarizare, deformare și altele asemenea.

Mecanismul microscopic de polarizare

Starea de polarizare este o stare în care câmpul electric exercită o forță relativă de deplasare asupra punctului încărcat al dielectricului și un echilibru temporar de atracție reciprocă între sarcini. Există trei mecanisme principale de polarizare.

(1) Polarizarea cu deplasarea electronilor - Atomul sau ionul unui dielectric nu coincide cu centrul de sarcină negativă al unui nucleu încărcat pozitiv și cu un electron de înveliș sub acțiunea unei forțe de câmp electric.

(2) Polarizarea deplasării ionilor - ionii pozitivi și negativi ai dielectricului sunt relativ deplasați sub acțiunea unei forțe de câmp electric, generând astfel un moment dipol electric.

(3) Polarizarea orientării — moleculele polare care alcătuiesc dielectricul au un anumit moment electric intrinsec (inerent). Din cauza mișcării termice, orientarea este dezordonată, momentul electric total este zero. Când se aplică un câmp electric, momentul dipolului electric .Se aliniază direcția câmpului electric și apare un moment dipol electric macroscopic.Pentru cristalele anizotrope, polarizarea este legată de prezența unui câmp electric.

2. Efect piezoelectric

(1) Efect piezoelectric pozitiv
Când cristalul piezoelectric este deformat de o forță externă, centrii de sarcină pozitiv și negativ sunt relativ deplasați, iar sarcinile opuse sunt generate pe unele fețe corespunzătoare și are loc intensitatea polarizării. Acest fenomen de lipsă de câmp electric și polarizare prin deformare se numește efect piezoelectric pozitiv.

Pentru cristalele anizotrope se aplică stres asupra cristalului; (deformarea corespunzătoare), cristalul va avea o polarizare proporțională în cele trei direcții ale lui X, Y și Z, care sunt numite constantă a tensiunii piezoelectrice și, respectiv, constantă a deformarii piezoelectrice.

(2) Efect piezoelectric invers
Când un câmp electric este aplicat cristalului, nu se generează doar polarizare, ci și deformare, iar acest fenomen de deformare de către câmpul electric se numește efect piezoelectric invers. Acest lucru se datorează faptului că atunci când cristalul este supus unui câmp electric, stresul (stresul piezoelectric) este generat în interiorul cristalului, iar deformarea piezoelectrică este generată de stres.

3. Mecanismul efectului de presiune
Efectul piezoelectric a fost descoperit pentru prima dată pe cristalele piezo. Acum folosim cristale piezoelectrice ca model pentru a ilustra mecanismul fizic al efectului piezoelectric.
Când nu se aplică nicio presiune, centrii de sarcină pozitivă și negativă ai cristalului sunt distribuite. În acest moment, centrii de sarcină pozitiv și negativ coincid, iar momentul electric total al cristalului este egal cu zero, iar suprafața cristalului nu este încărcată (nu piezoelectrică).

Când presiunea este aplicată în direcția x, cristalul este deformat și centrele de sarcină pozitivă și negativă sunt separate, adică dipolul electric se schimbă, astfel încât acumularea de sarcină are loc pe suprafața X. Când presiunea este aplicată în direcția axei Y, distribuția centrelor de sarcină pozitivă și negativă ai cristalului este prezentată aici, atunci când totalul de sarcină a dipolului electric se schimbă pe frontul opus al planului de sarcină X. Evident, înlocuirea forței de compresiune anterioară cu o forță de tracțiune indică faptul că semnul sarcinii este inversat. Pe scurt, atunci când se aplică o presiune asupra unui cristal piezoelectric, poate fi cauzat un efect piezoelectric.

Aplicarea ceramicii piezoelectrice

Ceramica piezoelectrică a fost utilizată pe scară largă datorită piezoelectricității lor și diversității rezultate din proprietăți electromecanice. Aceste aplicații pot fi împărțite în general în două mari categorii și anume ca vibratoare piezoelectrice. Când este utilizat ca vibrator piezoelectric, materialul ceramic piezoelectric trebuie să aibă o stabilitate bună a temperaturii în frecvență și un factor de calitate mecanic ridicat Q (Q indică gradul de consum intern de energie al materialului în timpul conversiei vibrațiilor); este necesar să fie folosit ca traductor. Factorul de cuplare mecanic mare K (= transformare mecanică în energie electrică / energie mecanică de intrare sau = energie electrică în energie mecanică / energie electrică de intrare) și constante dielectrice relative mari sunt date mai jos pentru aplicațiile ceramice piezoelectrice.

Aprindere ceramică piezoelectrică
Acesta este un dispozitiv care transformă forța mecanică într-o scânteie electrică pentru a aprinde arderea și este un traductor electromecanic. În 1958, efectul piezoelectric al ceramicii cu titanat de bariu (BaTiO) a fost folosit pentru aprindere. Cu toate acestea, materialul PZT are o rată scăzută de aprindere și zgomot ridicat. În 1962, testele de ceramică piezoelectrică cu zirconat de plumb (PZT) au fost folosite pentru a face aprinderi. Aprindetoarele sunt utilizate pe scară largă în viața de zi cu zi, producția industrială și aplicațiile militare pentru a aprinde gaze și diferite tipuri de explozibili și rachete.

(1) Principii de bază

Procesul de lucru al aprindetorului este împărțit în trei etape: generarea de presiune înaltă, aprinderea prin descărcare și aprinderea gazului inflamabil.

Generare de înaltă tensiune — Luând ca exemplu o componentă ceramică piezoelectrică cilindrică, atunci când forța mecanică F acționează asupra cilindrului, cristalul piezo este distorsionat, determinând deplasarea centrului sarcinilor pozitive și negative din cristal, astfel încât o cantitate mare de sarcină se acumulează pe suprafețele superioare și inferioare ale cilindrilor.

(2) ieșire de înaltă tensiune.

Aprindere prin descărcare—Puneți componenta piezoceramică într-o buclă strânsă cu un spațiu adecvat. Când tensiunea crește până la tensiunea de descărcare a golului, se generează o scânteie în spațiu.

Aprindeți gaz combustibil - în general, gazul combustibil nu este ușor de ars, așa că este în general folosit pentru a vaporiza cu ușurință etanul. Pentru a prelungi timpul de descărcare pentru a preveni stingerea scânteii prea repede pentru a crește viteza de aprindere, se poate introduce un rezistor adecvat în capătul de descărcare.

(3) structura aprinderii și principiul de funcționare

Există multe tipuri de aprindere, iar structura și principiul de funcționare al aprinzătorului piezoelectric sunt luate ca exemplu. Aprindetorul prezentat poate fi fixat pe aragazul de uz casnic pentru a aprinde gazul, rotiți comutatorul cu came 1, împinge blocul de impact 3 cu porțiunea proeminentă a camei și comprima arcul 2 din spatele blocului de impact. Când proiecția camei este separată de blocul de impact. Datorită forței elastice a arcului, blocul de impact conferă elementului ceramic piezoelectric o forță de impact și o tensiune înaltă este generată pe elementul piezoelectric și o tensiune înaltă este ieșită de la electrodul intermediar 5 pentru a genera o scânteie electrică pentru a aprinde gazul.

2. Transformator piezoelectric
Din anii 1950 au fost dezvoltate transformatoare piezoelectrice. La acea vreme, titanatul de bariu era folosit ca material principal. Boostul este relativ scăzut (doar de 50-60 de ori). Tensiunea de ieșire este de aproximativ 3000 de volți. Odată cu apariția materialelor ceramice piezoelectrice cu titanat de zirconat de plumb, raportul de creștere a fost crescut la 300-500 de ori și a fost aplicat treptat la televizoare, copiatoare electrostatice și generatoare de ioni negativi ca surse de alimentare de înaltă tensiune.

(1) Principii de bază
Energia de vibrație electrică introdusă în placa ceramică piezoelectrică este convertită în energie de vibrație mecanică prin efectul piezoelectric invers și apoi convertită în energie electrică prin efectul piezoelectric pozitiv. Conversia de impedanță (de la impedanță scăzută la impedanță mare) este realizată în aceste două conversii de energie pentru a obține o ieșire de înaltă tensiune la frecvența de rezonanță a cipului piezo-ceramic. Principiul transformării este explicat luând ca exemplu un transformator orizontal și vertical de vibrație de întindere.

Întreaga piesă ceramică piezo este împărțită în două părți, partea stângă este capătul de intrare (numit și partea de antrenare), părțile superioare și inferioare au electrodul de argint infiltrat, care este polarizat în direcția grosimii, iar partea dreaptă este capătul de ieșire (numit și partea generatoare de energie) și capătul drept. Există un electrod de argint care este infiltrat pe suprafață. Polarizat pe lungime. Când borna de intrare este aplicată cu o tensiune alternativă, datorită efectului piezoelectric invers, foaia piezo-ceramică generează vibrații de întindere pe direcția lungimii, care transformă energia electrică de intrare în energie mecanică; iar partea generatoare de energie convertește energia mecanică în energie electrică prin efectul piezoelectric pozitiv. În cazul în care factorul de calitate mecanică al materialului; - coeficienții de cuplare electromecanic longitudinal și transversal ai materialului; lungimea porțiunii L - generatoare de energie; T - grosimea transformatorului.

(2) Aplicarea transformatorului piezoelectric.
Transformatoarele piezoelectrice sunt utilizate în principal în cazul conversiei de înaltă tensiune, putere scăzută și unde sinusoidală și au avantajele unice ale tensiunii de ieșire ridicate, greutate redusă, volum mic, câmp magnetic fără scurgeri, fără ardere. Pentru a obține mai multe ieșiri de tensiune, în funcție de tensiunea de ieșire a transformatorului orizontal-vertical este proporțională cu lungimea, cu cât este mai aproape de capătul părții de generare a energiei, cu atât tensiunea este mai mare, putem realiza electrozi ca prize în diferite poziții ale părții de generare a energiei, obținând astfel diferitele ieșiri de tensiune. .

4. Pickup-uri și difuzoare ceramice piezoelectrice

Ceramica piezoelectrică este utilizată pe scară largă în dispozitivele electroacustice, cum ar fi pickup-urile și difuzoarele ceramice piezoelectrice. Receptoarele și altele asemenea sunt toate dezvoltate prin utilizarea proprietăților de transducere ale ceramicii piezoelectrice (energia mecanică este convertită în energie electrică sau invers).

(1) Vibrator tip diafragmă dublă

Dispozitivele electroacustice necesită impedanță mecanică scăzută și pot fi asortate cu surse de sunet sau surse de vibrații. Vibratoarele piezoelectrice de tip dublă diafragmă pot îndeplini aceste cerințe. Este alcătuit din două bucăți de foi ceramice piezoelectrice întinse pe lungime. Când o bucată este întinsă, cealaltă bucată este scurtată și întregul este îndoit.

Este dat principiul de funcționare al vibratorului de tip dublă diafragmă. Atunci când o ceramică piezoelectrică cu o anumită grosime este îndoită sub forță, aceasta este alungită pe o parte a grosimii și comprimată pe cealaltă parte, iar în interiorul foii ceramice piezoelectrice se generează o sarcină. Cu toate acestea, deoarece întreaga diafragmă are aceeași direcție de polarizare, partea superioară este alungită, iar partea inferioară este comprimată, astfel încât momentul dipolului electric este opus, iar simbolurile de sarcină din partea superioară și inferioară sunt aceleași, astfel încât nu există nicio diferență de potențial, cum ar fi trecerea la două structuri suprapuse cu diafragmă dublă, atunci când este supusă forței de îndoire, tensiunea de ieșire poate fi obținută. Două bucăți de diafragme cu direcții de polarizare opuse sunt conectate în serie, iar atunci când se aplică forța, piesa superioară este alungită și piesa inferioară este comprimată. Deoarece direcțiile de polarizare sunt opuse, părțile superioare și inferioare ale diafragmei duble sunt încărcate opus cu un semn și se poate obține o ieșire de tensiune. Cele două diafragme cu aceeași direcție de polarizare sunt conectate în paralel pentru a forma o tensiune de ieșire.

(2) Structura de ridicare ceramică piezoelectrică și principiul de funcționare

Este o diagramă de structură a unui pickup piezo-ceramic cu două canale. Principiul de funcționare este că atunci când jucătorul redă sunetul, vârful pickup-ului se mișcă de-a lungul canelurii de înregistrare (pereții canelurii din stânga și din dreapta sunt de asemenea gravați cu un semnal de vibrație) pentru a genera o vibrație mecanică sintetică, iar vibrația este descompusă în două componente reciproc perpendiculare de către elementul de cuplare. Apoi, componentele sunt transmise, respectiv, la capetele a doi senzori (diafragma piezoelectrică este folosită în mod obișnuit ca tip dublă diafragmă), astfel încât acestea să genereze vibrații de încovoiere și, în final, convertite și restaurate la semnalele canalului stâng și drept prin efectul piezoelectric pozitiv. Moliciunea, elasticitatea și rigiditatea elementelor de fixare din cauciuc, elementelor de amortizare din cauciuc, elementelor de cuplare din cauciuc și elementelor din cauciuc pentru bară de ac din pickup au o mare influență asupra sensibilității și răspunsului în frecvență al dispozitivului.

(3) Structura difuzorului ceramic piezoelectric și principiul de funcționare
Difuzorul ceramic piezoelectric este un dispozitiv electroacustic simplu și ușor, care are avantajele unei sensibilități ridicate, fără împrăștiere a câmpului magnetic, fără fir de cupru și magnet, cost redus, consum redus de energie, reparații convenabile și producție în masă.

Sistemul de conducere este a Elemente piezoelectrice din material PZT cu diafragmă dublă, sistemul de vibrații este un con de hârtie, iar componenta de cuplare transmite eficient energia sistemului de antrenare către sistemul de vibrații. În timpul funcționării, energia electrică aplicată diafragmei duble ceramice piezoelectrice este convertită în energie mecanică, care este transmisă conului de hârtie prin elementul de cuplare pentru a vibra și a suna. Diafragma dublă piezoelectrică are o impedanță mai mare și constituie un antrenament de tensiune. Relația dintre forța F și tensiunea V este F=KV, K este un coeficient proporțional, iar impedanța mecanică de vibrație inclusiv impedanța de radiație este Z, iar viteza de vibrație este
V=F/Z
Se poate obține presiunea sonoră P în centrul r al peliculei cu vibrații mari.

Unde f - frecvență
- densitate medie
S——aria efectivă a conului

În plus, în funcție de efectul piezoelectric al ceramicii piezoelectrice pot fi realizate și alte convertoare de energie electro-acustică precum un transmițător, un receptor, un sonerie etc.

(4) Ventilatoare și relee ceramice piezoelectrice
Ceramica piezoelectrică poate fi transformată într-un ventilator ceramic piezoelectric mic, care are avantajele unui volum mic, nu există generare de căldură, fără zumzet, consum redus de energie și durată lungă de viață. Este un deformator de îndoire ceramică piezoelectrică, care este compus din două foi de ceramică piezoelectrice prinse de o folie metalică, iar foaia ceramică piezoelectrică generează o mișcare telescopică sub acțiunea unui câmp electric extern. Dacă două foi de ceramică piezo sunt aplicate cu tensiune inversă, cealaltă parte este contractată pentru a se întinde, iar foaia de metal este îndoită și deformată. Dacă se aplică o tensiune alternativă, foaia metalică va vibra periodic.

Ventilatorul piezoelectric ceramic este compus din doi deformatori de îndoire. După ce alimentarea de curent alternativ este conectată, cele două lame sunt apăsate de săgeată.