Aplicații importante ale ceramicii piezoelectrice

                           Aplicații importante ale ceramicii piezoelectrice

Ceramica piezoelectrică a fost utilizată pe scară largă datorită piezoelectricității și diversității proprietăților electromecanice cauzate de piezoelectricitate. Datorită varietatii mari de dispozitive ceramice piezoelectrice și gamei lor largi de aplicații, este dificil să le clasificăm strict printr-o metodă simplă. Aplicațiile generale pot fi împărțite pe scară largă în două categorii: vibratoare piezoelectrice și traductoare piezoelectrice.

1. Traductor

Aplicarea efectului piezoelectric este variată, iar una dintre cele mai importante este folosirea lui ' caracteristicile s traductoarelor  . , Caracteristica de conversie a energiei este că  efectul  electricității este aplicat ceramicii piezoelectrice, energia electrică poate fi convertită în energie mecanică prin efectul de tensiune inversă; Efectul electric transformă energia mecanică în energie electrică. Oamenii folosesc această proprietate fizică a ceramicii piezoelectrice pentru a fabrica multe tipuri de dispozitive piezoelectrice, care sunt utilizate pe scară largă în comunicarea subacvatică, ultrasunete, aprindere de înaltă tensiune și alte domenii.

1, aprindere ceramică piezoelectrică

Acesta este un dispozitiv care transformă forța mecanică în scântei electrice pentru a aprinde combustibili. Este un traductor electromecanic. În 1958, el a fost pionier în utilizarea efectului piezoelectric al ceramicii cu titanat de bariu (BaTiO3) pentru aprindere. Rata de aprindere a acestuia element piezo piezo tija nu este ridicată, iar zgomotul este mare. În 1962, ceramica piezoelectrică de zirconat de plumb (PZT) a fost folosită pentru a face aprinderi. Acest tip de aprindere este utilizat pe scară largă în viața de zi cu zi, producția industrială și afacerile militare și este folosit pentru aprinderea și detonarea gazelor, a diverșilor explozivi și a rachetelor.

(1) Principiul de bază: Procesul de lucru al aprindetorului este împărțit în trei etape: generarea de înaltă tensiune, aprinderea prin descărcare și aprinderea gazului combustibil. Generare de înaltă tensiune - Luați ca exemplu elementele ceramice piezoelectrice cilindrice, când forța mecanică F acționează asupra cilindrului, cristalul va fi distorsionat, determinând deplasarea centrului sarcinilor pozitive și negative din cristal, astfel încât pe suprafețele superioare și inferioare ale cilindrului să apară o cantitate mare de sarcini libere, acesta producând o ieșire înaltă a cilindrului. Tensiunea de ieșire este: V=ga3Fh/A, unde A——aria secțiunii transversale a cilindrului; h——înălțimea cilindrului; ga3——constanta tensiunii piezoelectrice. Aprindere prin descărcare - puneți elementul ceramic piezoelectric într-un circuit închis și lăsați un spațiu corespunzător. Când tensiunea crește la tensiunea de descărcare a golului, o scânteie de descărcare va fi generată în spațiu. Aprinderea gazelor combustibile - gazul combustibil general nu este ușor de ars, astfel încât etanul care este ușor de gazeificat este utilizat în cea mai mare parte. Pentru a prelungi timpul de descărcare și pentru a preveni stingerea prea rapidă a scânteii, pentru a crește viteza de aprindere. Un rezistor adecvat poate fi conectat în serie la capătul de descărcare.

 

(2) Structura și principiul de funcționare al aprinzătorului , aici există multe tipuri de aprindere, iar aprindetorul piezoelectric de uz casnic este luat ca exemplu pentru a ilustra structura și principiul de funcționare a acestuia. Poate fi fixat pe aragazul de uz casnic pentru a aprinde gazul, rotește comutatorul cu came, folosește  partea proeminentă a camei pentru a împinge blocul de impact și comprima arcul din spatele blocului de impact. Când partea proeminentă a camei se desprinde de blocul de impact, datorită forței elastice a arcului, blocul de impact conferă elementului piezoelectric  piezo- ceramic .o forță de impact, care generează tensiune înaltă la ambele capete ale elementului piezoelectric și emite tensiune înaltă de la electrodul din mijloc pentru a genera o scânteie electrică pentru a aprinde gazul.

 

2. Traductor acustic subacvatic

Un traductor acustic subacvatic este un dispozitiv traductor utilizat pentru comunicarea și detectarea subacvatică. Oamenii știu că comunicarea și detectarea aerului se bazează în principal pe unde electromagnetice, cum ar fi echipamentele de comunicații radio și radar etc., toate se bazează pe unde electromagnetice pentru a transmite informații în aer. Nu este posibilă utilizarea undelor electromagnetice pentru comunicarea și detectarea subacvatică. Acest lucru se datorează faptului că undele electromagnetice au o pierdere mare de propagare în apă și vor fi absorbite de cineva care nu călătorește departe. Cu toate acestea, pierderea de propagare a undelor sonore în apă este foarte mică, astfel încât comunicarea și detectarea subacvatică utilizează în principal Undele sonore sunt folosite pentru a transmite informații, iar instrumentele care generează și detectează undele sonore se numesc sisteme sonar. Sistemele sonare sunt instrumente indispensabile pentru navigația subacvatică, comunicare, detectarea submarinelor și școlilor de pești și cercetarea marine. Oamenii compară sonarul din apă cu radarul din aer, iar ochii și urechile sistemului sonar sunt traductoare acustice subacvatice. Cercetările privind traductoarele acustice subacvatice au început în Primul Război Mondial. Langevin din Franța a folosit pentru prima dată cristale de cuarț pentru a face traductoare acustice subacvatice bazate pe efectul piezoelectric. Deși traductorul acustic subacvatic creat de Lang Zhiwan a fost limitat de condițiile tehnice la acea vreme și nu a fost de fapt utilizat pe submarinele de adâncime, a avut o contribuție semnificativă la dezvoltarea științei acustice subacvatice în viitor. Traductorul Langevin folosește efectul de tensiune inversă al cristalului de cuarț pentru a emite unde sonore în apă, Tubul din ceramică piezo primește undele sonore returnate din apă prin efectul de tensiune pozitivă și efectuează unele măsurători subacvatice în funcție de timpul alternativ al undelor sonore de impuls.

Oamenii au efectuat cercetări aprofundate și sistematice asupra traductoare acustice subacvatice piezoelectrice pentru a le face practice. Cu toate acestea, principalele materiale piezoelectrice folosite la acea vreme erau cristale piezoelectrice solubile în apă - sare Roche și dioxifosfat de potasiu. La sfârșitul anilor 1950 a apărut ceramica piezoelectrică. Realizarea traductoarelor acustice subacvatice cu ceramică piezoelectrică a devenit aproape principalul material piezoelectric ales de oameni. Deoarece are multe caracteristici pe care cristalele piezoelectrice nu le aveau în trecut, a devenit cel mai ideal material piezoelectric pentru realizarea traductoarelor acustice subacvatice și nu există alt material care să se potrivească cu el. Principalele avantaje ale traductoarelor acustice subacvatice ceramice piezoelectrice sunt:

(1) Nu este nevoie de tensiune de polarizare DC și bobină, sistemul de vibrații este simplu;

(2) Traductorul ceramic piezoelectric este de dimensiuni mici și are caracteristici excelente;

(3) Traductoarele ceramice piezoelectrice pot fi realizate în orice formă, după cum este necesar.

Traductoarele piezoelectrice sunt cel mai utilizat tip de traductoare în domeniul tehnologiei acustice subacvatice. Indicatorii de performanță ai traductoarelor acustice subacvatice trebuie să aibă doar frecvență de funcționare, coeficient de cuplare electromecanic, coeficient de conversie electromecanic, factor de calitate, caracteristici de frecvență, caracteristici de impedanță, caracteristici direcționale, caracteristici de amplitudine, sensibilitate de transmisie, sensibilitate de recepție, putere emițător, proprietăți de stabilitate în timp și temperatură, rezistență mecanică și greutate etc. indiferent de ocazie, ci să propună cerințe de index diferite și reprezentative în funcție de utilizarea și ocaziile de aplicare a acestuia.

În al doilea rând, vibratorul piezoelectric

După apariţia lui Ceramica piezoelectrica PZT , este posibila realizarea de filtre ceramice. Filtrele ceramice cu frecvențe diferite pot fi realizate folosind diferite moduri de vibrație ale vibratoarelor piezoelectrice. Cel mai vechi mod de vibrație aplicat este vibrația radială sau vibrația conturului, ceea ce face un filtru de 455 kHz. Mai târziu, frecvența filtrelor ceramice s-a dezvoltat la ambele capete, high end ajungând la 10MHz și low end sub 1kHz. Datorită aplicării modului de capcană de energie, frecvența filtrului ceramic este de până la 100MHz, filtrul de undă acustică de suprafață excitat de traductorul interdigital a ajuns la peste 1GHz, iar cea mai mare frecvență a filtrului de undă acustică de suprafață folosind ceramică piezoelectrică ca substrat a fost de până la 630MHz.

Transformatorul piezoelectric este, de asemenea, un vibrator în ceea ce privește aplicarea sa, iar structura sa de bază este de a seta două seturi de electrozi pe corpul ceramic piezoelectric pentru a forma patru terminale. Adăugarea unui semnal electric pe partea primară îl face să rezoneze, iar partea secundară are o ieșire. În acest fel, funcționează ca un transformator în momentul rezonanței. Cercetările privind transformatoarele piezoelectrice au început mai devreme. Puterea și tensiunea de antrenare a transformatoarelor piezoelectrice din ceramică monolitică nu sunt ușor de crescut. Transformatorul piezoelectric cu mai multe straturi este fabricat cu aceeași tehnologie compozită cu mai multe straturi ca tehnologia de fabricație a condensatorului monolitic, iar puterea și tensiunea de antrenare sunt mult îmbunătățite, ceea ce extinde și mai mult domeniul de aplicare a transformatorului piezoelectric.

 

1. Transformator piezoelectric

Transformatoarele piezoelectrice au fost dezvoltate încă din anii 1950. La acea vreme, titanatul de bariu era folosit ca material principal. Raportul de amplificare este scăzut (de doar 50~60 de ori). Tensiunea de ieșire este de aproximativ 3000V. Odată cu apariția materialelor ceramice piezoelectrice cu titanat de zirconat de plumb, raportul de creștere este crescut la 300 ~ 500 de ori și este popularizat treptat și utilizat în 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 ceramica 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 timpul acestor două conversii de energie, astfel încât se poate obține o putere piezoelectrică mare la frecvența de rezonanță a foii ceramice. Acum luați ca exemplu transformatoarele orizontale și verticale cu vibrații de întindere pentru a ilustra principiul transformatoarelor.

 

Întregul cip ceramic este împărțit în două părți, partea stângă este capătul de intrare (cunoscut și ca partea de antrenare), există electrozi de argint ars pe părțile superioare și inferioare, polarizați de-a lungul direcției grosimii, partea dreaptă este capătul de ieșire (cunoscut și ca partea de generare a energiei), iar partea dreaptă este capătul de ieșire (cunoscut și ca partea de generare a energiei). Există electrozi de argint ars la suprafață. Polarizat pe lungimea sa. Când se aplică o tensiune alternativă la capătul de intrare, datorită efectului de tensiune inversă, piesa ceramică va produce vibrații de întindere pe direcția lungimii, care va transforma energia electrică de intrare în energie mecanică; în timp ce partea de generare a energiei va converti energia mecanică în energie electrică prin efectul de tensiune pozitivă și apoi o va transfera de la capătul de ieșire Tensiunea de ieșire. Când nu există sarcină, raportul de creștere a circuitului deschis, Qm este factorul de calitate mecanică al materialului; K31, K33 sunt coeficienții de cuplare electromecanic longitudinal și transversal ai materialului; L este lungimea părții de generare a energiei; t este grosimea transformatorului. Transformatoarele piezoelectrice sunt utilizate în principal în cazul conversiei de înaltă tensiune, putere scăzută și unde sinusoidale și au avantaje unice, cum ar fi tensiune mare de ieșire, greutate redusă, dimensiune mică, câmp magnetic fără scurgeri și lipsă de 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 este mai mare tensiunea, iar electrozii pot fi fabricați în diferite poziții ale părții de generare a energiei ca capete de arbore pentru a obține ieșiri diferite de tensiune.

 

(2) Principiul de bază de lucru și caracteristicile transformatoarelor ceramice piezoelectrice monolitice (multistrat). Ceramica piezoelectrică este un material fragil. Pentru a-și asigura rezistența mecanică, transformatorul piezoelectric trebuie să aibă o anumită grosime, iar tensiunea de antrenare a transformatorului menționat mai sus este destul de limitată. Din acest motiv, a luat ființă proiectul de transformator ceramic piezoelectric monolit (multi-strat). După adoptarea structurii monolitice (multi-strat), grosimea și numărul de straturi ale fiecărui strat pot fi ajustate, iar tensiunea de conducere nu mai este limitată, astfel încât tensiunea poate fi realizată. Transformatoarele electrice pot funcționa în cea mai bună stare, indiferent de tensiunea de antrenare în care se află.

Tehnologiile de bază ale acestui proiect sunt sinterizarea submicroană la temperatură joasă materiale ceramice piezoelectrice , tehnologie de ardere în comun a electrodului intern, tehnologie de tratare a polarizării și proiectare structurală. Transformatoarele ceramice piezoelectrice (MPT) monolitice (multistrat) sunt a treia generație de transformatoare electronice cu următoarele caracteristici.

① Ultra-subțire: grosimea în general nu depășește 4 mm.

②Eficiență ridicată de conversie: peste 97% la sarcină maximă (sarcină rezistivă).

③ Are caracteristica de auto-protecție de întrerupere automată a scurtcircuitului de sarcină.

④Transformator rezonant: poate realiza conversie de tensiune zero și curent zero.

⑤ Are caracteristici de ieșire a curentului cvasi-constant pentru sarcini cu impedanță scăzută.

⑥ Fără tensiune de vârf inversă, protecție fiabilă a circuitului amplificatorului de putere.

⑦ Fără interferențe electromagnetice.

⑧Fără defecțiune a bobinei, ruperea mucegaiului.

⑨Rezistență la pulverizare de sare, rezistență bună la intemperii, potrivită în special pentru utilizare în climatele marine.

 

2. Pickup și difuzor din ceramică piezoelectrică

Traductoarele din ceramică piezoelectrică sunt utilizate pe scară largă în echipamentele electroacustice, cum ar fi pickup-urile și difuzoarele ceramice piezoelectrice.

(1) Vibrator cu diafragmă dublă (Figura 6-16). Echipamentele electroacustice necesită impedanță mecanică scăzută și se pot potrivi cu sursa de sunet sau sursa de vibrații, iar vibratorul piezoelectric cu diafragmă dublă poate îndeplini aceste cerințe. Este realizat din două foi ceramice piezoelectrice care sunt extensibile în lungime. Când o bucată este întinsă, cealaltă bucată este scurtată, iar întreaga bucată se îndoaie.

 

Oferă principiul de funcționare al vibratorului cu dublă diafragmă. Când o bucată de ceramică piezoelectrică cu o anumită grosime este îndoită sub forță, o parte a grosimii sale este alungită, iar cealaltă parte este comprimată. În acest moment, în interiorul piesei ceramice vor fi generate încărcături. , dar deoarece direcția de polarizare a întregii diafragme este aceeași, partea superioară este alungită, iar partea inferioară este comprimată, ceea ce face ca momentul dipolului electric să fie opus, iar părțile superioare și inferioare au același semn de sarcină, deci nu există nicio diferență de potențial, așa cum se arată în Figura 6-16 (a ). Dacă se folosește în schimb o structură cu diafragmă dublă cu două foi suprapuse, se poate obține o ieșire de tensiune atunci când forța este îndoită. Figura 6-16(b) folosește două diafragme cu direcții de polarizare opuse conectate în serie. Când se aplică o forță, cea de sus se întinde și cea de jos se comprimă. Deoarece direcțiile de polarizare sunt opuse, părțile superioare și inferioare ale diafragmei duble sunt încărcate cu semne opuse și se poate obține o ieșire de tensiune. Figura 6-16(c) se formează prin conectarea a două diafragme cu aceeași direcție de polarizare în paralel și se poate obține și tensiunea de ieșire.

 

(2) Structura difuzorului din ceramică piezoelectrică și principiul de funcționare: Difuzorul ceramic piezoelectric este un dispozitiv electro-acustic simplu și ușor, cu sensibilitate ridicată, fără deversări de câmp magnetic, fără nevoie de fire și magneți de cupru, cost redus, consum redus de energie, reparație ușoară, producție ușoară în masă etc.

Sistemul său de antrenare este o diafragmă dublă ceramică piezoelectrică, sistemul de vibrații este un con de hârtie, iar elementul de cuplare transferă în mod eficient energia sistemului de antrenare către sistemul de vibrații. În timpul lucrului, energia electrică adăugată diafragmei duble ceramice piezoelectrice este convertită în energie mecanică, care este transmisă conului de hârtie prin elementul de cuplare pentru a-l face să vibreze și să sune. Dubla diafragmă piezoelectrică are o impedanță relativ mare, ceea ce constituie un antrenament de tensiune. Relația dintre forța F și tensiunea V este F=KV, iar K este coeficientul proporțional. Dacă impedanța mecanică de vibrație inclusiv impedanța de radiație este Z, viteza de vibrație este : v=F/Z, se poate obține presiunea sonoră P în centrul r al diafragmei înalte. |P|=10fρS/r |v| unde: f—frecvență; ρ—densitate medie; S—zona efectivă a corpului vertebral. În plus, se pot realiza și alte convertoare de energie electroacustică în funcție de efectul piezoelectric al ceramicii piezoelectrice, cum ar fi emițătoare, receptoare, sonerie etc....