Introducere în materialele piezoelectrice și parametrii tehnici

Material piezoelectric piezoceramic sunt materiale cristaline care generează o tensiune între cele două capete ale lor atunci când se aplică presiune. În 1880, fizicienii francezi P. Curie și frații J. Curie au descoperit că atunci când un obiect greu este plasat pe un cristal de cuarț, unele suprafețe ale cristalului vor genera sarcini, iar cantitatea de sarcină este proporțională cu presiunea. Acest fenomen se numește efect piezoelectric. Imediat după aceea, frații Curie au descoperit efectul piezoelectric invers, adică corpul piezoelectric se deformează sub acțiunea unui câmp electric extern. Mecanismul efectului piezoelectric este: cristalul cu piezoelectricitate are simetrie scăzută. Când este deformat de o forță externă, deplasarea relativă a ionilor pozitivi și negativi în celula unitară face ca centrele de sarcină pozitivă și negativă să nu se mai suprapună, rezultând polarizarea macroscopică a cristalului, în timp ce densitatea suprafeței de sarcină la suprafață a cristalului este egală cu proiecția intensității polarizării pe direcția normală a suprafeței, deci atunci când sarcina piezită va apărea deformată prin semnul presiunii opusă a cristalului. cele două capete ale materialului piezoelectric. În schimb, atunci când un material piezoelectric este polarizat într-un câmp electric, materialul se deformează din cauza deplasării centrului de sarcină.

 

Senzorul cu placă piezoelectrică poate genera câmpuri electrice datorită deformării mecanice și poate genera și deformare mecanică datorită acțiunii câmpurilor electrice. Acest efect de cuplare electromecanic inerent face ca materialele piezoelectrice să fie utilizate pe scară largă în inginerie. De exemplu, materiale piezoelectrice au fost folosite pentru a face structuri inteligente. Pe lângă capacitățile de auto-susținere, astfel de structuri au și funcții precum autodiagnoza, autoadaptarea și autovindecarea și vor juca un rol important în proiectarea viitoarelor aeronave.

 

Parametrii tehnici ai materialelor piezoelectrice:

 

Coeficientul piezoelectric d33

 

Coeficientul piezoelectric este coeficientul de conversie al cristal din ceramică piezoelectrică care transformă energia mecanică în energie electrică sau transformă energia electrică în energie mecanică, reflectând relația de cuplare dintre proprietățile elastice și proprietățile dielectrice ale materialelor piezoelectrice

 

Permitivitate liberă ε T33 (permitivitate liberă)

 

Permitivitatea unui dielectric la deformare zero (sau constantă), exprimată în Farads/metru.

 

Permitivitate relativă ε Tr3 (permitivitate relativă)

 

Raportul dintre constanta dielectrică ε T33 și constanta dielectrică de vid ε 0, ε Tr3= ε T33/ ε 0, este o mărime fizică adimensională.

 

Pierderi dielectrice (pierderi dielectrice)

 

Dielectricul este energia pierdută în dielectric datorită procesului de relaxare a polarizării electrice și a conducerii scurgerilor sub acțiunea câmpului electric.

 

Tangenta unghiului de pierdere tg δ (tangenta unghiului de pierdere)

 

Sub acțiunea unui câmp electric alternativ sinusoidal, curentul care curge într-un dielectric ideal este cu 90 0 înaintea fazei de tensiune, dar în proba ceramică piezoelectrică, din cauza pierderii de energie, unghiul de fază ψ al conductorului de curent este mai mic de 900, iar unghiul său complementar δ ( δ + ψ = 900) se numește unghi de pierdere, mărime fizică fără dimensiune. Oamenii folosesc de obicei tangenta de pierderi tg δ pentru a reprezenta dimensiunea pierderii dielectrice, care reprezintă raportul dintre puterea activă (puterea de pierdere) P a dielectricului și puterea reactivă Q . Adică: factorul de calitate electrică Qe (factorul de calitate electrică)

 

Valoarea factorului de calitate electrică este egală cu inversul valorii tangentei de pierdere a probei, exprimată prin Qe, care este o mărime fizică adimensională. Dacă circuitul echivalent paralel este utilizat pentru a reprezenta proba ceramică piezoelectrică în câmpul electric alternativ, atunci Qe=1/ tg δ = ω CR

 

Factor de calitate mecanic Qm (factor de calitate mecanic)

 

Raportul dintre energia mecanică stocată de Vibratorul cu plăci piezoelectrice la rezonanță cu energia mecanică pierdută într-un ciclu se numește factor de calitate mecanică. Relația dintre acesta și parametrii oscilatorului este: raportul Poissons

 

Raportul lui Poisson se referă la raportul dintre contracția relativă laterală și alungirea relativă longitudinală a unui solid sub stres și este o mărime fizică adimensională exprimată prin δ : δ = - S 12 /S11

 

Frecvența de rezonanță în serie fs (frecvența de rezonanță în serie)

 

Frecvența de rezonanță a ramului serie în circuitul echivalent al vibratorului piezoelectric se numește frecvență de rezonanță serie, exprimată prin fs ,

Frecvență de rezonanță paralelă fp (frecvență de rezonanță paralelă)

 

Frecvența de rezonanță a ramificației paralele în circuitul echivalent al vibratorului piezoelectric se numește frecvența de rezonanță paralelă, reprezentată de fp, adică fp = frecvența de rezonanță fr (frecvența de rezonanță)

 

Frecvența inferioară a unei perechi de frecvențe care face ca susceptanța vibratorului piezoelectric să fie zero se numește frecvență de rezonanță, reprezentată de fr .

 

Frecvența antirezonanței fa (frecvența antirezonanței)

 

Frecvența mai mare a unei perechi de frecvențe care face ca susceptanța vibratorului piezoelectric să fie zero se numește frecvență de antirezonanță, exprimată prin fa .

 

Frecvența maximă de admitere fm (frecvența maximă de admitere)

 

Frecvența când admitanța vibratorului piezoelectric este mare se numește frecvență de admitere mare. În acest moment, impedanța vibratorului este mică, deci se mai numește și frecvența de impedanță mică, exprimată prin f m.

 

Frecvența de admitere mică fn (frecvența de admisie minimă)

 

Frecvența la care admisanța vibratorului piezoelectric este mică se numește frecvență mică de admitere. În acest moment, impedanța vibratorului este mare, deci se mai numește și frecvența de impedanță mare, exprimată prin f n.

 

frecventa fundamentala

 

Frecvența de rezonanță scăzută într-un mod de vibrație dat se numește frecvență de înălțime și devine de obicei frecvența fundamentală.

 

Frecvența tonului (frecvența fundamentală)

 

Frecvențele de rezonanță, altele decât frecvența fundamentală într-un mod de vibrație dat, se numesc frecvențe de tonalitate.

 

stabilitatea temperaturii

 

Stabilitatea temperaturii se referă la caracteristica că performanța ceramicii piezoelectrice se modifică odată cu temperatura.

 

La o anumită temperatură, când temperatura se schimbă cu 1 ° C, raportul dintre modificarea numerică a unei anumite frecvențe și valoarea numerică a frecvenței la această temperatură se numește coeficientul de temperatură al frecvenței TKf.

 

În plus, o derive relativă mare este de obicei utilizată pentru a caracteriza stabilitatea temperaturii unui anumit parametru.

 

Deplasare relativă a frecvenței la temperatură pozitivă = △ fs (temperatură pozitivă mare)/fs (25 ℃ )

 

Deplasare relativă mare a frecvenței la temperatură negativă = △ fs (temperatură negativă mare)/fs (25 ℃ )

 

Coeficientul de cuplare electromecanic (COEficientul de cuplare electromecanic)

 

Coeficientul de cuplare electromecanic K este rădăcina pătrată a raportului dintre pătratul densității energiei interacțiunii elastice-dielectrice V122 și produsul dintre densitatea energiei elastice stocate V1 și densitatea energiei dielectrice V2.

 

Ceramica piezoelectrică utilizează de obicei următorii cinci coeficienți de cuplare de bază

 

A. Coeficientul de cuplare electromecanic plan KP (reflectează polarizarea și excitația electrică a discului subțire de-a lungul direcției grosimii și este un parametru al efectului de cuplare electromecanic în timpul vibrației de întindere radială.)

 

B. Coeficientul de cuplare electromecanic transversal K31 (parametri care reflectă efectul de cuplare electromecanic al benzii subțiri de-a lungul polarizării direcției grosimii și excitației electrice pentru vibrația de întindere a lungimii.)

 

C. Coeficientul de cuplare electromecanic longitudinal K33 (un parametru care reflectă efectul de cuplare electromecanic al tijei subțiri de-a lungul direcției lungimii de polarizare și excitație electrică pentru vibrația de întindere a lungimii.)

 

D. Coeficientul de cuplare electromecanic KT al întinderii pe grosime

 

E. Coeficientul de cuplare electromecanic de forfecare a grosimii K15 (reflectează polarizarea plăcii dreptunghiulare de-a lungul direcției lungimii, direcția câmpului electric de excitație este perpendiculară pe direcția de polarizare și este utilizat ca parametru pentru efectul de cuplare electromecanic în timpul vibrației de forfecare a grosimii.)

 

Constanta de deformare piezoelectrică D (CONSTANTĂ DE DETENSIUNE PIEZOELECTRICĂ)

 

Constanta de deformare piezoelectrică este raportul dintre modificarea componentei de deformare SI la modificarea EI cauzată de modificarea componentei câmpului electric E cu condiția ca atât efortul T, cât și componenta câmpului electric EM (M ≠ I) să fie constante.

 

Constanta de tensiune piezoelectrică G (CONSTANTA DE TENSIUNE PIEZOELECTRICĂ)

 

Constanta este raportul dintre modificarea componentei intensității câmpului electric EI cauzată de modificarea componentei de stres TI la modificarea TI cu condiția ca deplasarea electrică D și componenta de stres TN (N ≠ I) să fie ambele constante.

 

Temperatura Curie TC (TEMPERATURA CURIE)

 

Ceramica piezoelectrică are un efect piezoelectric doar într-un anumit interval de temperatură. Are o temperatură critică TC. Când temperatura este mai mare decât TC, ceramica piezoelectrică suferă o tranziție de fază structurală. Această temperatură critică TC se numește temperatura Curie.

 

Stabilitatea temperaturii (TEMPERATURE STABILITY)

 

Se referă la caracteristicile performanței traductoare ceramice piezoelectrice care se modifică cu temperatura. În general, există două metode de descriere a stabilității temperaturii: coeficientul de temperatură sau deviația relativă mare.

 

Rata de îmbătrânire de zece ori (RATA DE ÎMBĂTRÂNIREA PE DECADĂ) Y reprezintă un anumit parametru

 

Frecvență constantă (FREQUENCY CONSTANT)

 

Pentru modurile de vibrație radială și transversală, constanta de frecvență este produsul dintre frecvența de rezonanță în serie și dimensiunea elementului (diametrul sau lungimea) care determină această frecvență. Pentru grosimea lungimii longitudinale și modurile de vibrație prin forfecare de întindere, constanta de frecvență este produsul dintre frecvența de rezonanță paralelă și mărimea vibratorului (lungime sau grosime) care determină această frecvență și unitatea sa: HZ.M