Introduktion till piezoelektriska material och tekniska parametrar

Piezoelektriskt material piezokeramik är kristallina material som genererar en spänning mellan sina två ändar när tryck appliceras. År 1880 upptäckte de franska fysikerna P. Curie och J. Curie-bröderna att när ett tungt föremål placeras på en kvartskristall kommer vissa ytor av kristallen att generera laddningar, och mängden laddning är proportionell mot trycket. Detta fenomen kallas den piezoelektriska effekten. Omedelbart efteråt upptäckte bröderna Curie den omvända piezoelektriska effekten, det vill säga den piezoelektriska kroppen deformeras under inverkan av ett yttre elektriskt fält. Mekanismen för den piezoelektriska effekten är: kristallen med piezoelektricitet har låg symmetri. När den deformeras av en yttre kraft, gör den relativa förskjutningen av de positiva och negativa jonerna i enhetscellen att de positiva och negativa laddningscentrumen inte längre överlappar varandra, vilket resulterar i makroskopisk polarisering av kristallen, medan ytladdningens yttäthet för kristallen är lika med projektionen av polarisationsintensiteten på ytans normalriktning, så när laddningen deformeras av materialets piezoelektriska tecken kommer det att uppträda på materialets piezoelektriska tecken. två ändar av det piezoelektriska materialet. Omvänt, när ett piezoelektriskt material polariseras i ett elektriskt fält, deformeras materialet på grund av förskjutningen av laddningscentrum.

 

Piezoelektrisk plattsensor kan generera elektriska fält på grund av mekanisk deformation, och kan också generera mekanisk deformation på grund av inverkan av elektriska fält. Denna inneboende elektromekaniska kopplingseffekt gör att piezoelektriska material används i stor utsträckning inom teknik. Till exempel har piezoelektriska material använts för att göra smarta strukturer. Förutom självbärande förmåga har sådana strukturer även funktioner som självdiagnos, självanpassning och självläkning och kommer att spela en viktig roll i framtida flygplansdesign.

 

Tekniska parametrar för piezoelektriska material:

 

Piezoelektrisk koefficient d33

 

Piezoelektrisk koefficient är omvandlingskoefficienten för piezoelektrisk keramisk kristall som omvandlar mekanisk energi till elektrisk energi eller omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi, vilket återspeglar kopplingsförhållandet mellan de elastiska egenskaperna och dielektriska egenskaperna hos piezoelektriska material

 

Fri permittivitet ε T33 (fri permittivitet)

 

Permittiviteten för ett dielektrikum vid noll (eller konstant) töjning, uttryckt i Farads/meter.

 

Relativ permittivitet ε Tr3 (relativ permittivitet)

 

Förhållandet mellan dielektricitetskonstanten eT33 och vakuumdielektricitetskonstanten e0 , eTr3 = eT33 / e0 , är ​​en dimensionslös fysisk storhet.

 

Dielektrisk förlust (dielektrisk förlust)

 

Dielektrikumet är den energi som går förlorad i dielektrikumet på grund av den elektriska polarisationsrelaxationsprocessen och läckageledning under inverkan av det elektriska fältet.

 

Förlustvinkel tangent tg δ (tangent för förlustvinkel)

 

Under verkan av ett sinusformigt elektriskt växelfält är strömmen som flyter i ett idealiskt dielektrikum 90 0 före spänningsfasen, men i det piezoelektriska keramiska provet, på grund av energiförlust, är fasvinkeln ψ för strömledningen mindre än 900, och dess komplementära vinkel δ ( δ0 + ψ kallas den fysiska förlusten) kvantitet. Människor använder vanligtvis förlusttangenten tg δ för att representera storleken på den dielektriska förlusten, som representerar förhållandet mellan den aktiva effekten (förlusteffekten) P hos dielektrikumet och den reaktiva effekten Q . Det vill säga: elektrisk kvalitetsfaktor Qe (elektrisk kvalitetsfaktor)

 

Värdet på den elektriska kvalitetsfaktorn är lika med det reciproka värdet av förlusttangensvärdet för provet, uttryckt med Qe, som är en dimensionslös fysisk storhet. Om den parallella ekvivalenta kretsen används för att representera det piezoelektriska keramiska provet i det alternerande elektriska fältet, då Qe=1/tg δ = ω CR

 

Mekanisk kvalitetsfaktor Qm (mekanisk kvalitetsfaktor)

 

Förhållandet mellan den mekaniska energin som lagras av piezoelektrisk plattvibrator vid resonans mot den mekaniska energin som förloras i en cykel kallas den mekaniska kvalitetsfaktorn. Förhållandet mellan det och oscillatorparametrarna är: Poisson-förhållande

 

Poissons förhållande hänvisar till förhållandet mellan lateral relativ krympning och longitudinell relativ förlängning av ett fast ämne under påkänning, och är en dimensionslös fysisk storhet uttryckt som δ : δ = - S 12 /S11

 

Serieresonansfrekvens fs (serieresonansfrekvens)

 

Resonansfrekvensen för seriegrenen i den ekvivalenta kretsen för den piezoelektriska vibratorn kallas serieresonansfrekvensen, uttryckt med fs ,

Parallell resonansfrekvens fp (parallell resonansfrekvens)

 

Resonansfrekvensen för parallellgrenen i den piezoelektriska vibratorns ekvivalenta krets kallas den parallella resonansfrekvensen, representerad av fp, det vill säga fp = resonansfrekvens fr (resonansfrekvens)

 

Den lägre frekvensen av ett frekvenspar som gör att susceptansen för den piezoelektriska vibratorn är noll kallas resonansfrekvensen, representerad av fr .

 

Antiresonansfrekvens fa (antiresonansfrekvens)

 

Den högre frekvensen av ett frekvenspar som gör susceptansen för den piezoelektriska vibratorn noll kallas antiresonansfrekvensen, uttryckt av fa .

 

Maximal admittansfrekvens fm (maximal admittansfrekvens)

 

Frekvensen när admittansen för den piezoelektriska vibratorn är stor kallas stor admittansfrekvens. Vid denna tidpunkt är vibratorns impedans liten, så den kallas också den lilla impedansfrekvensen, uttryckt med f m.

 

Liten insläppsfrekvens fn (minsta insläppsfrekvens)

 

Frekvensen vid vilken admittansen för den piezoelektriska vibratorn är liten kallas den lilla admittansfrekvensen. Vid denna tidpunkt är vibratorns impedans stor, så den kallas också den stora impedansfrekvensen, uttryckt med f n.

 

grundläggande frekvens

 

Den låga resonansfrekvensen i ett givet vibrationsläge kallas tonhöjdsfrekvensen och blir vanligtvis grundfrekvensen.

 

Övertonsfrekvens (fundamental frekvens)

 

De andra resonansfrekvenserna än grundfrekvensen i ett givet vibrationsläge kallas övertonsfrekvenser.

 

temperaturstabilitet

 

Temperaturstabilitet hänvisar till egenskapen att prestandan hos piezoelektrisk keram ändras med temperaturen.

 

Vid en viss temperatur, när temperaturen ändras med 1 ° C, kallas förhållandet mellan den numeriska förändringen av en viss frekvens och det numeriska värdet av frekvensen vid denna temperatur temperaturkoefficienten för frekvensen TKf.

 

Dessutom används vanligtvis en stor relativ drift för att karakterisera temperaturstabiliteten för en viss parameter.

 

Relativ frekvensförskjutning vid positiv temperatur = △ fs (stor positiv temperatur)/fs (25 ℃ )

 

Stor relativ frekvensförskjutning vid negativ temperatur = △ fs (stor negativ temperatur)/fs (25 ℃ )

 

Elektromekanisk kopplingskoefficient (ELECTRO MECHANICAL COUPLING COEFFICIENT)

 

Den elektromekaniska kopplingskoefficienten K är kvadratroten av förhållandet mellan den elastisk-dielektriska interaktionsenergitätheten V122 och produkten av den lagrade elastiska energitätheten VI och den dielektriska energidensiteten V2.

 

Piezoelektrisk keramik använder vanligtvis följande fem grundläggande kopplingskoefficienter

 

A. Plan elektromekanisk kopplingskoefficient KP (reflekterar polarisationen och den elektriska exciteringen av den tunna skivan längs tjockleksriktningen och är en parameter för den elektromekaniska kopplingseffekten under radiell sträckningsvibration.)

 

B. Tvärgående elektromekanisk kopplingskoefficient K31 (parametrar som reflekterar den elektromekaniska kopplingseffekten av den smala remsan längs tjockleksriktningens polarisering och elektrisk excitation för längdsträckningsvibrationer.)

 

C. Longitudinell elektromekanisk kopplingskoefficient K33 (en parameter som återspeglar den elektromekaniska kopplingseffekten av den tunna stången längs polarisationsriktningen och elektrisk excitation för längdsträckningsvibrationer.)

 

D. Den elektromekaniska kopplingskoefficienten KT för tjocklekssträckning

 

E. Elektromekanisk kopplingskoefficient K15 för tjockleksskjuvning (reflekterar polariseringen av den rektangulära plattan längs längdriktningen, riktningen för det elektriska excitationsfältet är vinkelrät mot polarisationsriktningen och används som en parameter för den elektromekaniska kopplingseffekten under tjockleksskjuvvibrationer.)

 

Piezoelektrisk töjningskonstant D (PIEZOELECTRIC STRAIN CONSTANT)

 

Den piezoelektriska töjningskonstanten är förhållandet mellan förändringen av töjningskomponenten SI och förändringen av EI orsakad av förändringen av den elektriska fältkomponenten E under förutsättning att både spänningen T och den elektriska fältkomponenten EM (M ≠ I) är konstanta.

 

Piezoelektrisk spänningskonstant G (PIEZOELECTRIC VOLTAGE CONSTANT)

 

Konstanten är förhållandet mellan förändringen av den elektriska fältintensitetskomponenten EI orsakad av förändringen av spänningskomponenten TI och ändringen av TI under förutsättning att den elektriska förskjutningen D och spänningskomponenten TN (N ≠ I) båda är konstanta.

 

Curie temperatur TC (CURIE TEMPERATURE)

 

Piezoelektrisk keramik har endast en piezoelektrisk effekt inom ett visst temperaturområde. Den har en kritisk temperatur TC. När temperaturen är högre än TC genomgår den piezoelektriska keramen en strukturell fasövergång. Denna kritiska temperatur TC kallas Curie-temperaturen.

 

Temperaturstabilitet (TEMPERATURE STABILITY)

 

Avser egenskaperna hos prestanda för piezoelektriska keramiska givare som förändras med temperaturen. Generellt finns det två metoder för att beskriva temperaturstabilitet: temperaturkoefficient eller stor relativ drift.

 

Tio gånger åldringshastighet (ÅLDRINGSHASTIGHET PER DECADE) Y representerar en viss parameter

 

Frekvenskonstant (FREKVENSKONSTANT)

 

För de radiella och tvärgående längdsträckande vibrationslägena är frekvenskonstanten produkten av serieresonansfrekvensen och elementdimensionen (diameter eller längd) som bestämmer denna frekvens. För longitudinell längdtjocklek och sträckande skjuvvibrationslägen är frekvenskonstanten produkten av parallellresonansfrekvensen och vibratorstorleken (längd eller tjocklek) som bestämmer denna frekvens, och dess enhet: HZ.M