Nyheter

Du är här: Hem / Nyheter / Grunderna i piezoelektrisk keramik / Användning av piezoelektrisk keramisk givare

Användning av piezoelektrisk keramisk givare

Visningar: 1 Författare: Webbplatsredaktör Publiceringstid: 2019-10-11 Ursprung: Plats

Fråga

Piezoelektrisk keramik har använts i stor utsträckning på grund av sin piezoelektricitet och den resulterande mångfalden av elektromekaniska egenskaper. Dessa applikationer kan generellt delas in i två breda kategorier, nämligen som piezoelektriska vibratorer. När det används som en piezoelektrisk vibrator krävs att det piezoelektriska keramiska materialet har god frekvenstemperaturstabilitet och en hög mekanisk kvalitetsfaktor Q (Q indikerar graden av intern energiförbrukning hos materialet under vibrationsomvandling); den måste användas som givare. Den höga mekaniska kopplingsfaktorn K (mekanisk omvandling till elektrisk energi / ingående mekanisk energi, elektrisk energi till mekanisk energi / ingående elektrisk energi) och stora relativa dielektricitetskonstanten, tillämpningen av piezoelektrisk keramik ges nedan.

Piezoelektrisk keramisk tändare
Detta är en anordning som omvandlar mekanisk kraft till en elektrisk gnista för att antända förbränningen, och är en elektromekanisk givare. 1958 användes den piezoelektriska effekten av bariumtitanat (BaTiO) keramik för antändning. Men detta material av piezoelektriskt keramiskt lager har en låg antändningshastighet och högt brus. År 1962 användes försök med blyzirkonattitanat (PZT) piezoelektrisk keramik för att tillverka tändare. Tändare används ofta i det dagliga livet, industriell produktion och militära tillämpningar för att antända gas och olika typer av sprängämnen och raketer.

I. Översikt
Piezoelektrisk keramik är en polykristallin film med piezoelektrisk effekt, och dess produktionsprocess är uppkallad efter dess liknande produktionsprocess (råmaterialpulverisering, formning, högtemperatursintring). Vissa anisotropa kristaller genomgår deformation under mekanisk kraft, vilket gör att de laddande partiklarna förskjuts relativt, vilket resulterar i de positiva och negativa bundna laddningarna på kristallens yta. Detta fenomen kallas piezoelektrisk effekt. Denna egenskap hos kristallen kallas piezoelektricitet. Piezoelektricitetskeramik upptäcktes 1880 av bröderna J. Curie och P. Curie. Några månader senare verifierade de experimentellt den omvända piezoelektriska effekten, det vill säga när en spänning appliceras på piezokristallen kommer piezokristallen att genomgå geometrisk deformation. Före 1940 var endast två typer av ferroelektriska ämnen kända (inte bara spontant polariserad i ett visst temperaturområde, utan också den spontana polariseringen av kristallerna som kan omorienteras på grund av den yttre fältstyrkan): den ena är kaliumdivätefosfat och dess motsvarighet. Den förra har piezoelektricitet vid normal temperatur och har tekniskt bruksvärde, men har nackdelen att vara lätt att lösa upp; den senare har piezoelektrisk keramik vid låg temperatur (mindre än -14 C), och det tekniska användningsvärdet är inte stort. Bariumtitanat (BaTiO) visade sig ha en onormalt hög dielektricitetskonstant. Det visade sig snart vara piezoelektriskt, och upptäckten av BaTi O piezoelektrisk keramik var ett kvantsprång för de piezoelektriska materialen. Tidigare fanns det bara ett piezoelektriskt kristallmaterial, och därefter uppträdde ett piezoelektriskt polykristallint material, piezoelektrisk keramik och användes i stor utsträckning. 1947 använde USA BaTiO-keramik för att göra pickuper för fonografer. Japan använde den i två år. BaTiO-material har nackdelen att piezoelektriciteten är svagare än det vilande saltet och piezoelektriciteten är större än kvartskristallen med temperatur. 1954 upptäckte B. Jaffe och andra det piezoelektriska PbZrO-PbTiO (PZT) fasta lösningssystemet, vilket är en epokgörande händelse som gjorde det omöjligt att tillverka enheter i BaTiO . Sedan dess har PZT transparent piezoelektrisk keramik utvecklats för att utöka tillämpningen av piezoelektrisk keramik till optikområdet. Hittills är tillämpningen av piezoelektrisk keramik, från utvecklingen av universum till familjens liv, extremt omfattande. Kinas forskning om piezoelektrisk keramik började i slutet av 1950-talet, cirka 10 år senare än utlandet. För närvarande finns det ganska starka krafter inom provproduktion och industriell produktion av piezoelektrisk keramik. Många material har nått eller ligger nära den internationella nivån.

Den fysiska mekanismen för piezokeramisk piezoelektricitet
Piezoelektrisk keramik är polykristaller vars piezoelektricitet piezoskivsensor kan förklaras av piezokristallens piezoelektricitet. Under inverkan av mekanisk kraft förändras det totala elektriska dipolmomentet (polarisation), vilket resulterar i ett piezoelektriskt fenomen. Piezoelektricitet är nära relaterad till polarisation, deformation och liknande.

Mikroskopisk polarisationsmekanism

Polarisationstillståndet är ett tillstånd där det elektriska fältet utövar en relativ förskjutningskraft på dielektrikets laddade punkt och en tillfällig balans av ömsesidig attraktion mellan laddningarna. Det finns tre huvudsakliga polarisationsmekanismer.

(1) Elektronförskjutningspolarisation - Atomen eller jonen i ett dielektrikum sammanfaller inte med det negativa laddningscentrumet för en positivt laddad kärna och en skalelektron under inverkan av en elektrisk fältkraft.

(2) Jonförskjutningspolarisation - de positiva och negativa jonerna i dielektrikumet är relativt förskjutna under inverkan av en elektrisk fältkraft, vilket genererar ett elektriskt dipolmoment.

(3) Orienteringspolarisation - de polära molekylerna som utgör dielektrikumet har ett visst inneboende (inneboende) elektriskt moment. På grund av termisk rörelse är orienteringen oordnad, det totala elektriska momentet är noll. När ett elektriskt fält appliceras, är det elektriska dipolmomentet. Riktningen av det elektriska fältet är inriktat och ett makroskopiskt elektriskt dipolmoment uppträder. För anisotropa kristaller är polarisationen relaterad till närvaron av ett elektriskt fält.

2. Piezoelektrisk effekt

(1) Positiv piezoelektrisk effekt
När den piezoelektriska kristallen deformeras av en yttre kraft, förskjuts de positiva och negativa laddningscentrumen relativt, och de motsatta laddningarna genereras på vissa motsvarande ytor, och polarisationsintensiteten inträffar. Detta fenomen med inget elektriskt fält och polarisering genom deformation kallas en positiv piezoelektrisk effekt.

För anisotropa kristaller appliceras stress på kristallen; (motsvarande töjning), kommer kristallen att ha en proportionell polarisation i de tre riktningarna X, Y och Z, som kallas piezoelektrisk spänningskonstant respektive piezoelektrisk töjningskonstant.

(2) Invers piezoelektrisk effekt
När ett elektriskt fält appliceras på kristallen genereras inte bara polarisering utan även deformation, och detta fenomen med deformation av det elektriska fältet kallas en invers piezoelektrisk effekt. Detta beror på att när kristallen utsätts för ett elektriskt fält genereras spänning (piezoelektrisk spänning) inuti kristallen och piezoelektrisk spänning genereras av stress.

3. Mekanism för tryckeffekt
Den piezoelektriska effekten upptäcktes först på piezokristaller. Nu använder vi piezokristaller som modell för att illustrera den fysiska mekanismen för den piezoelektriska effekten.
När inget tryck appliceras fördelas kristallens positiva och negativa laddningscentra. Vid denna tidpunkt sammanfaller de positiva och negativa laddningscentrumen, och kristallens totala elektriska moment är lika med noll, och kristallytan är inte laddad (inte piezoelektrisk).

När tryck appliceras i x-riktningen deformeras kristallen, och de positiva och negativa laddningscentrumen separeras, det vill säga den elektriska dipolen ändras, så att laddningsackumulering sker på X-ytan. När trycket appliceras i Y-axelns riktning visas fördelningen av kristallens positiva och negativa laddningscentra här, när den totala elektriska dipolens laddningsmoment ändras mot X-fronten och orsakar ackumuleringen av X-fronten. Att ersätta den tidigare tryckkraften med en dragkraft indikerar uppenbarligen att laddningens tecken är omvänt. Kort sagt, när ett tryck appliceras på en piezoelektrisk kristall kan en piezoelektrisk effekt orsakas.

Applicering av piezoelektrisk keramik

Piezoelektrisk keramik har använts i stor utsträckning på grund av sin piezoelektricitet och den resulterande mångfalden av elektromekaniska egenskaper. Dessa applikationer kan generellt delas in i två breda kategorier, nämligen som piezoelektriska vibratorer. När det används som en piezoelektrisk vibrator krävs att det piezoelektriska keramiska materialet har god frekvenstemperaturstabilitet och en hög mekanisk kvalitetsfaktor Q (Q indikerar graden av intern energiförbrukning hos materialet under vibrationsomvandling); den måste användas som en givare. Hög mekanisk kopplingsfaktor K (= mekanisk omvandling till elektrisk energi / ingående mekanisk energi, eller = elektrisk energi till mekanisk energi / ingående elektrisk energi) och stora relativa dielektriska konstanter ges nedan för piezoelektriska keramiska tillämpningar.

Piezoelektrisk keramisk tändare
Detta är en anordning som omvandlar mekanisk kraft till en elektrisk gnista för att antända förbränningen, och är en elektromekanisk givare. 1958 användes den piezoelektriska effekten av bariumtitanat (BaTiO) keramik för antändning. PZT-material har dock låg antändningshastighet och högt ljud. År 1962 användes försök med blyzirkonattitanat (PZT) piezoelektrisk keramik för att tillverka tändare. Tändare används ofta i det dagliga livet, industriell produktion och militära tillämpningar för att antända gas och olika typer av sprängämnen och raketer.

(1) Grundläggande principer

Tändarens arbetsprocess är uppdelad i tre steg: högtrycksgenerering, urladdningständning och antändning av brandfarlig gas.

Högspänningsgenerering——Med en cylindrisk piezoelektrisk keramisk komponent som ett exempel, när den mekaniska kraften F verkar på cylindern, förvrängs piezokristallen, vilket gör att mitten av de positiva och negativa laddningarna i kristallen förskjuts, så att en stor mängd laddning ackumuleras på cylinderns övre och undre yta.

(2) högspänningsutgång.

Urladdningständning—Placera den piezokeramiska komponenten i en tät slinga med ett lämpligt mellanrum. När spänningen stiger till gapets urladdningsspänning genereras en gnista i gapet.

Antänd brännbar gas - i allmänhet är bränslegas inte lätt att bränna, så det används vanligtvis för att enkelt förånga etan. För att förlänga urladdningstiden för att förhindra att gnistan släcks för snabbt för att öka antändningshastigheten kan ett lämpligt motstånd sättas in i urladdningsänden.

(3) tändarstruktur och arbetsprincip

Det finns många typer av tändare, och den piezoelektriska tändarens struktur och arbetsprincip tas som exempel. Tändaren som visas kan fästas på hushållsspisen för att tända gasen, vrida kamomkopplaren 1, tryck på stötblocket 3 med den utskjutande delen av kammen och tryck ihop fjädern 2 bakom slagblocket. När kamprojektionen är separerad från slagblocket. På grund av fjäderns elastiska kraft ger slagblocket det piezoelektriska keramiska elementet en slagkraft, och en hög spänning genereras över det piezoelektriska elementet, och en hög spänning matas ut från den mellanliggande elektroden 5 för att generera en elektrisk gnista för att antända gasen.

2. Piezoelektriska transformatorer
Sedan 1950-talet har piezoelektriska transformatorer utvecklats. På den tiden användes bariumtitanat som huvudmaterial. Boosten är relativt låg (endast 50-60 gånger). Utspänningen är cirka 3000 volt. Med tillkomsten av blyzirkonattitanat piezoelektriska keramiska material har förstärkningsförhållandet ökats till 300-500 gånger, och det har gradvis tillämpats på tv-apparater, elektrostatiska kopiatorer och negativa jongeneratorer som högspänningsströmförsörjning.

(1) Grundprinciper
Den elektriska vibrationsenergin som tillförs den piezoelektriska keramiska skivan omvandlas till mekanisk vibrationsenergi genom den omvända piezoelektriska effekten och omvandlas sedan till elektrisk energi genom den positiva piezoelektriska effekten. Impedansomvandling (från lågimpedans till högimpedans) uppnås i dessa två energiomvandlingar för att uppnå en högspänningsutgång vid resonansfrekvensen för det piezokeramiska chipet. Transformationsprincipen förklaras genom att ta en horisontell och vertikal transformator av sträckvibrationer som exempel.

Hela den piezokeramiska delen är uppdelad i två delar, den vänstra delen är ingångsänden (även kallad drivdelen), de övre och nedre sidorna har den infiltrerade silverelektroden, som är polariserad i tjockleksriktningen, och den högra delen är utgångsänden (även kallad den kraftgenererande delen), och den högra änden. Det finns en silverelektrod som infiltreras på ytan. Polariserad längs längden. När ingångsterminalen appliceras med en växelspänning, på grund av den omvända piezoelektriska effekten, genererar det piezokeramiska arket sträckande vibrationer längs längdriktningen, vilket omvandlar den ingående elektriska energin till mekanisk energi; och den kraftgenererande delen omvandlar den mekaniska energin till elektrisk energi genom den positiva piezoelektriska effekten. Om materialets mekaniska kvalitetsfaktor; - materialets längsgående och tvärgående elektromekaniska kopplingskoefficienter; längden av den L-kraftgenererande delen; T - tjockleken på transformatorn.

(2) Tillämpning av piezoelektrisk transformator
Piezoelektriska transformatorer används huvudsakligen vid högspännings-, lågeffekt- och sinusvågsomvandling, och har de unika fördelarna med hög utspänning, låg vikt, liten volym, inget magnetiskt läckage, ingen förbränning. För att erhålla flera spänningsutgångar, enligt utspänningen från den horisontell-vertikala transformatorn är proportionell mot längden, ju närmare slutet av kraftgenereringsdelen, desto högre spänning, kan vi göra elektroder som uttag vid olika positioner av kraftgenereringsdelen, och på så sätt erhålla de olika spänningsutgångarna. .

4.Piezoelektriska keramiska pickuper och högtalare

Piezoelektrisk keramik används ofta i elektroakustiska enheter, såsom piezoelektriska keramiska pickuper och högtalare. Mottagarna och liknande är alla utvecklade genom att utnyttja omvandlingsegenskaperna hos piezoelektrisk keramik (mekanisk energi omvandlas till elektrisk energi eller vice versa).

(1) Vibrator av dubbelmembrantyp

Elektroakustiska enheter kräver låg mekanisk impedans och kan matchas med ljudkällor eller vibrationskällor. Piezoelektriska vibratorer av dubbelmembrantyp kan uppfylla dessa krav. Den består av två stycken längdsträckta piezoelektriska keramiska skivor. När en bit sträcks förkortas den andra biten och det hela böjs.

Arbetsprincipen för vibratorn av dubbelmembrantyp anges. När en piezoelektrisk keramik med en viss tjocklek böjs under kraften, förlängs den på ena sidan av tjockleken och komprimeras på den andra sidan, och en laddning genereras inuti den piezokeramiska skivan. Men eftersom hela membranet har samma polarisationsriktning, är ovansidan förlängd och undersidan komprimeras, så att det elektriska dipolmomentet är motsatt, och de övre och nedre sidoladdningssymbolerna är desamma, så det finns ingen potentialskillnad, såsom att byta till två överlappande dubbelmembranstruktur, när den utsätts för spänningskraftsböjning. Två stycken membran med motsatta polarisationsriktningar är sammankopplade i serien, och när kraften appliceras förlängs den övre delen och den nedre delen komprimeras. Eftersom polarisationsriktningarna är motsatta, är de övre och nedre sidorna av dubbelmembranet motsatt laddade med ett tecken, och en spänningsutgång kan erhållas. De två membranen med samma polarisationsriktning är parallellkopplade för att bilda en utspänning.

(2) Piezoelektrisk keramisk pickupstruktur och arbetsprincip

Det är ett strukturdiagram av en tvåkanalig piezokeramisk pickup. Arbetsprincipen är att när spelaren spelar upp ljudet, rör sig pickupens spets längs skivspåret (vänster och höger spårväggar är också graverade med en vibrationssignal) för att generera en syntetisk mekanisk vibration, och vibrationen bryts ner i två ömsesidigt vinkelräta komponenter av kopplingselementet. Därefter överförs komponenterna till ändarna av två sensorer (det piezoelektriska membranet används vanligtvis som en dubbelmembrantyp), så att de genererar böjningsvibrationer, och slutligen omvandlas och återställs till vänster och höger kanalsignaler genom den positiva piezoelektriska effekten. Mjukheten, elasticiteten och styvheten hos gummifästelementen, gummidämpningselementen, gummikopplingselementen och nålstångsgummielementen i pickupen har stor inverkan på anordningens känslighet och frekvenssvar.

(3) Piezoelektrisk keramisk högtalarestruktur och arbetsprincip
Piezoelektrisk keramisk högtalare är en enkel och lätt elektroakustisk enhet, som har fördelarna med hög känslighet, ingen magnetfältspridning, ingen koppartråd och magnet, låg kostnad, låg strömförbrukning, bekväm reparation och massproduktion.

Drivsystemet är en PZT-material piezoelektriska element dubbelt membran, vibrationssystemet är en papperskon, och kopplingskomponenten överför energin från drivsystemet till vibrationssystemet effektivt. Under drift omvandlas den elektriska energin som appliceras på det piezoelektriska keramiska dubbelmembranet till mekanisk energi, som överförs till papperskonen genom kopplingselementet för att vibrera och ljuda. Det piezoelektriska dubbelmembranet har en högre impedans och utgör en spänningsdrift. Förhållandet mellan kraften F och spänningen V är F=KV, K är en proportionell koefficient, och den mekaniska vibrationsimpedansen inklusive strålningsimpedansen är Z, och vibrationshastigheten är
V=F/Z.
Ljudtrycket P i mitten r av den höga vibrationsfilmen kan erhållas.

Där f - frekvens
- medeldensitet
S——konens effektiva yta

Dessutom kan andra elektroakustiska energiomvandlare såsom en sändare, en mottagare, en summer, etc. tillverkas i enlighet med den piezoelektriska effekten av den piezoelektriska keramen.

(4) Piezoelektriska keramiska fläktar och reläer
Den piezoelektriska keramen kan göras till en liten piezoelektrisk keramisk fläkt, som har fördelarna med liten volym, det finns ingen värmegenerering, inget brum, låg strömförbrukning och lång livslängd. Det är en piezoelektrisk keramisk böjningsdeformerare, som består av två piezoelektriska keramiska skivor inklämda av en metallfolie, och den piezokeramiska skivan genererar en teleskopisk rörelse under inverkan av ett yttre elektriskt fält. Om två piezokeramiska plåtar appliceras med en omvänd spänning, dras den andra sidan ihop för att sträckas och metallplåten böjs och deformeras. Om en växelspänning appliceras kommer plåten periodvis att vibrera.

Den piezoelektriska keramiska fläkten är sammansatt av två böjningsdeformerare. Efter att växelströmmen är ansluten trycks de två bladen ned av pilen.