Застосування п'єзоелектричного керамічного перетворювача

Перегляди: 1 Автор: Редактор сайту Час публікації: 2019-10-11 Походження: Сайт

Запитуйте

П'єзоелектрична кераміка широко використовується завдяки своїй п'єзоелектричності та різноманітності електромеханічних властивостей, що зумовлюються цим. Загалом ці програми можна розділити на дві великі категорії, а саме як п’єзоелектричні вібратори. Коли п’єзоелектричний керамічний матеріал використовується як п’єзоелектричний вібратор, він повинен мати хорошу температурну стабільність частоти та високий механічний коефіцієнт якості Q (Q вказує на ступінь споживання внутрішньої енергії матеріалу під час перетворення вібрації); його потрібно використовувати як перетворювач. Високий механічний коефіцієнт зв’язку K (механічне перетворення в електричну енергію / вхідну механічну енергію, електричну енергію в механічну енергію / вхідну електричну енергію) і велику відносну діелектричну проникність, застосування п’єзоелектричної кераміки наведено нижче.

П’єзоелектричний керамічний запальник.
Це пристрій, який перетворює механічну силу в електричну іскру для запалювання горіння, і є електромеханічним перетворювачем. У 1958 році для запалювання був використаний п'єзоелектричний ефект кераміки з титанату барію (BaTiO). Однак цей матеріал о П'єзоелектричний керамічний шар має низьку швидкість займання і високий шум. У 1962 році були проведені випробування п'єзоелектричної кераміки з цирконат-титанату свинцю (PZT) для виготовлення запальників. Запальники широко використовуються в повсякденному житті, промисловому виробництві та військових цілях для запалювання газу та різних типів вибухівки та ракет.

I. Огляд
П’єзоелектрична кераміка — це полікристалічна плівка з п’єзоелектричним ефектом, а її виробничий процес названий на честь аналогічного процесу виробництва (подрібнення сировини, формування, високотемпературне спікання). Деякі анізотропні кристали зазнають деформації під дією механічної сили, що призводить до відносного зміщення заряджених частинок, що призводить до появи позитивних і негативних зв’язаних зарядів на поверхні кристала. Це явище називається п'єзоелектричним ефектом. Ця властивість кристала називається п'єзоелектрикою. П'єзоелектрична кераміка була відкрита в 1880 році Ж. Кюрі і братами П. Кюрі. Кілька місяців по тому вони експериментально перевірили зворотний п'єзоелектричний ефект, тобто коли на п'єзокристал подається напруга, п'єзокристал зазнає геометричної деформації. До 1940 року було відомо тільки два типи сегнетоелектриків (не тільки спонтанно поляризовані в певному діапазоні температур, але й спонтанна поляризація кристалів, які можуть бути переорієнтовані завдяки напруженості зовнішнього поля): один — дигідрофосфат калію та його еквівалент. Перший має п’єзоелектрику при нормальній температурі та має технічну цінність, але має недолік — легко розчиняється; останній має п'єзоелектричну кераміку при низькій температурі (менше -14 C), і інженерне значення невелике. Було виявлено, що титанат барію (BaTiO) має аномально високу діелектричну проникність. Незабаром було встановлено, що він є п’єзоелектричним, і відкриття п’єзоелектричної кераміки BaTi O стало кількісним стрибком для п’єзоелектричних матеріалів. Раніше існував тільки п'єзоелектричний кристалічний матеріал, а згодом з'явився і широко використовувався п'єзоелектричний полікристалічний матеріал - п'єзоелектрична кераміка. У 1947 році Сполучені Штати використовували кераміку BaTiO для виготовлення звукознімачів для фонографів. Японія використовувала його два роки. Недолік матеріалу BaTiO полягає в тому, що п’єзоелектрика слабша, ніж у спочиваючої солі, а п’єзоелектрика більша, ніж у кристала кварцу, залежно від температури. У 1954 році Б. Джаффе та інші відкрили п’єзоелектричну систему твердого розчину PbZrO-PbTiO (PZT), що стало епохальною подією, яка унеможливила виготовлення пристроїв з BaTiO. З того часу була розроблена прозора п’єзоелектрична кераміка PZT, щоб розширити застосування п’єзоелектричної кераміки в галузі оптики. Поки що застосування п'єзоелектричної кераміки, від розвитку Всесвіту до життя сім'ї, надзвичайно широке. Дослідження п'єзоелектричної кераміки в Китаї почалися наприкінці 1950-х років, приблизно на 10 років пізніше, ніж у інших країнах. В даний час є досить сильні сили в дослідному виробництві та промисловому виробництві п'єзоелектричної кераміки. Багато матеріалів досягли або близькі до міжнародного рівня.

Фізичний механізм п’єзоелектрики п’єзокераміки
П’єзокераміка – це полікристали, п’єзоелектрика яких П'єзодисковий датчик можна пояснити п'єзоелектрикою п'єзокристала. Під дією механічної сили загальний електричний дипольний момент (поляризація) змінюється, в результаті чого виникає п'єзоелектричне явище. П’єзоелектрика тісно пов’язана з поляризацією, деформацією тощо.

Мікроскопічний механізм поляризації

Стан поляризації — це стан, при якому електричне поле діє на заряджену точку діелектрика відносною силою зміщення та тимчасовим балансом взаємного тяжіння між зарядами. Існує три основних механізми поляризації.

(1) Поляризація електронного зміщення — атом або іон діелектрика не збігається з центром негативного заряду позитивно зарядженого ядра та електронної оболонки під дією сили електричного поля.

(2) Поляризація іонного зміщення — позитивні та негативні іони діелектрика відносно зміщені під дією сили електричного поля, створюючи тим самим електричний дипольний момент.

(3) Орієнтаційна поляризація — полярні молекули, що утворюють діелектрик, мають певний власний (властивий) електричний момент. Внаслідок теплового руху орієнтація невпорядкована, загальний електричний момент дорівнює нулю. Коли прикладається електричне поле, електричний дипольний момент. Напрямок електричного поля вирівнюється, і з’являється макроскопічний електричний дипольний момент. Для анізотропних кристалів поляризація пов’язана з наявністю електричного поля.

2. П'єзоелектричний ефект

(1) Позитивний п’єзоелектричний ефект
Коли п’єзоелектричний кристал деформується зовнішньою силою, центри позитивного та негативного зарядів відносно зміщуються, і на деяких відповідних гранях генеруються протилежні заряди, і виникає інтенсивність поляризації. Це явище відсутності електричного поля та поляризації через деформацію називається позитивним п’єзоелектричним ефектом.

Для анізотропних кристалів напруга прикладається до кристала; (відповідна деформація), кристал матиме пропорційну поляризацію в трьох напрямках X, Y і Z, які називаються константою п’єзоелектричної напруги та константою п’єзоелектричної деформації відповідно.

(2) Зворотний п’єзоелектричний ефект
Коли до кристала прикладається електричне поле, виникає не лише поляризація, але й деформація, і це явище деформації електричним полем називається зворотним п’єзоелектричним ефектом. Це пов’язано з тим, що коли кристал піддається електричному полю, усередині кристала виникає напруга (п’єзоелектрична напруга), а п’єзоелектрична напруга породжується напругою.

3. Механізм дії тиску
П'єзоефект вперше був виявлений на п'єзокристалах. Тепер ми використовуємо п’єзокристали як модель для ілюстрації фізичного механізму п’єзоелектричного ефекту.
Коли тиск не застосовується, центри позитивного та негативного зарядів кристала розподіляються. У цей час центри позитивного і негативного заряду збігаються, і повний електричний момент кристала дорівнює нулю, а поверхня кристала не заряджена (не п'єзоелектрична).

Коли тиск прикладається в напрямку x, кристал деформується, і центри позитивного та негативного зарядів розділяються, тобто електричний диполь змінюється, таким чином відбувається накопичення заряду на поверхні X. Коли тиск прикладається в напрямку осі Y, тут показано розподіл центрів позитивного та негативного заряду кристала, коли загальний електричний дипольний момент змінюється та викликає накопичення заряду на площині X, протилежній передній частині. Очевидно, що заміна попередньої стискаючої сили на розтягуючу вказує на зміну знака заряду. Коротше кажучи, коли на п’єзоелектричний кристал прикладається тиск, може виникнути п’єзоелектричний ефект.

Застосування п'єзоелектричної кераміки

П'єзоелектрична кераміка отримала широке застосування завдяки своїй п'єзоелектричності та різноманітності електромеханічних властивостей, що зумовлюються цим. Ці застосування можна загалом розділити на дві великі категорії, а саме як п’єзоелектричні вібратори. При використанні в якості п’єзоелектричного вібратора п’єзоелектричний керамічний матеріал повинен мати хорошу температурну стабільність частоти та високий механічний коефіцієнт якості Q (Q вказує на ступінь споживання внутрішньої енергії матеріалу під час перетворення вібрації); його потрібно використовувати як перетворювач. Високий механічний коефіцієнт зв’язку K (= механічне перетворення в електричну енергію / вхідна механічна енергія або = електрична енергія в механічну енергію / вхідна електрична енергія) і велика відносна діелектрична проникність наведені нижче для п’єзоелектричних керамічних застосувань.

П’єзоелектричний керамічний запальник.
Це пристрій, який перетворює механічну силу в електричну іскру для запалювання горіння, і є електромеханічним перетворювачем. У 1958 році для запалювання був використаний п'єзоелектричний ефект кераміки з титанату барію (BaTiO). Однак матеріал PZT має низьку швидкість займання і високий шум. У 1962 році були проведені випробування п'єзоелектричної кераміки з цирконат-титанату свинцю (PZT) для виготовлення запальників. Запальники широко використовуються в повсякденному житті, промисловому виробництві та військових цілях для запалювання газу та різних типів вибухівки та ракет.

(1) Основні принципи

Робочий процес запальника ділиться на три етапи: створення високого тиску, розрядний запал і запалювання горючого газу.

Генерація високої напруги—— Взявши як приклад циліндричний п’єзоелектричний керамічний компонент, коли механічна сила F діє на циліндр, п’єзокристал спотворюється, спричиняючи зміщення центру позитивних і негативних зарядів у кристалі, так що велика кількість заряду накопичується на верхній і нижній поверхнях циліндра і

(2) вихід високої напруги.

Запалювання розряду — помістіть п’єзокерамічний компонент у замкнуту петлю з відповідним зазором. Коли напруга підвищується до напруги розряду проміжку, у проміжку генерується іскра.

Запалюйте горючий газ. Як правило, паливний газ непросто спалити, тому його зазвичай використовують для легкого випаровування етану. Щоб подовжити час розряду, щоб запобігти швидкому згасанню іскри та збільшити швидкість займання, у розрядний кінець можна вставити відповідний резистор.

(3) структура запальника та принцип роботи

Існує багато видів запальників, і структура та принцип роботи п’єзоелектричного запальника взяті як приклад. Показаний запальник можна прикріпити до побутової плити, щоб запалити газ, повернути кулачковий перемикач 1, натиснути на ударний блок 3 виступаючою частиною кулачка та стиснути пружину 2 за ударним блоком. Коли виступ кулачка відділений від ударного блоку. Завдяки пружній силі пружини ударний блок надає п’єзоелектричному керамічному елементу силу удару, і висока напруга генерується на п’єзоелектричному елементі, а висока напруга виходить із проміжного електрода 5 для генерації електричної іскри для запалювання газу.

2. П'єзоелектричний трансформатор
З 1950-х років почали розробляти п'єзоелектричні трансформатори. У той час в якості основного матеріалу використовувався титанат барію. Буст порівняно низький (лише 50-60 разів). Вихідна напруга близько 3000 вольт. З появою п’єзоелектричних керамічних матеріалів на основі цирконат-титанату свинцю коефіцієнт підвищення був збільшений до 300-500 разів, і його поступово почали застосовувати до телевізорів, електростатичних копіювальних машин і генераторів негативних іонів як високовольтних джерел живлення.

(1) Основні принципи
Енергія електричної вібрації, що надходить до п’єзоелектричного керамічного листа, перетворюється в енергію механічної вібрації за допомогою зворотного п’єзоелектричного ефекту, а потім перетворюється в електричну енергію за допомогою позитивного п’єзоелектричного ефекту. Перетворення імпедансу (з низького опору на високий) досягається в цих двох перетвореннях енергії для досягнення високої вихідної напруги на резонансній частоті п’єзокерамічного чіпа. Принцип перетворення пояснюється на прикладі горизонтального та вертикального трансформаторів валентних коливань.

Весь п’єзокерамічний шматок розділений на дві частини, ліва частина є вхідним кінцем (також називається рушійною частиною), верхня та нижня сторони мають інфільтрований срібний електрод, який поляризований у напрямку товщини, а права частина є вихідним кінцем (також називається частиною, що генерує електроенергію), і правий кінець. На поверхні є срібний електрод, який інфільтрований. Поляризовані по довжині. Коли на вхідну клему подається змінна напруга, завдяки зворотному п’єзоелектричному ефекту п’єзокерамічний лист генерує розтягуючі коливання вздовж напрямку довжини, які перетворюють вхідну електричну енергію в механічну; а частина, що генерує електроенергію, перетворює механічну енергію в електричну за допомогою позитивного п’єзоелектричного ефекту. Де механічна добротність матеріалу; - поздовжній і поперечний коефіцієнти електромеханічного зв'язку матеріалу; довжина L - енергогенеруючої частини; Т - товщина трансформатора.

(2) Застосування п’єзоелектричного трансформатора
П’єзоелектричні трансформатори в основному використовуються у випадку високої напруги, низької потужності та перетворення синусоїдальної хвилі та мають унікальні переваги високої вихідної напруги, легкої ваги, малого об’єму, відсутності магнітного поля витоку, відсутності згоряння. Щоб отримати декілька виходів напруги, відповідно до вихідної напруги горизонтально-вертикального трансформатора, пропорційної довжині, чим ближче до кінця частини генерації електроенергії, тим вище напруга, ми можемо зробити електроди як відводи в різних положеннях частини генерації електроенергії, таким чином отримуючи різні виходи напруги. .

4.П'єзоелектричні керамічні звукознімачі та динаміки

П'єзоелектрична кераміка широко використовується в електроакустичних пристроях, таких як п'єзоелектричні керамічні звукознімачі та динаміки. Усі приймачі й подібне розроблено з використанням перетворювальних властивостей п’єзоелектричної кераміки (механічна енергія перетворюється на електричну або навпаки).

(1) Вібратор з подвійною діафрагмою

Електроакустичним пристроям потрібен низький механічний опір і їх можна поєднувати з джерелами звуку або вібрації. П'єзоелектричні вібратори з подвійною діафрагмою можуть відповідати цим вимогам. Він складається з двох поздовжньо розтягнутих п’єзоелектричних керамічних листів. Коли один шматок розтягується, інший шматок скорочується, а весь згинається.

Наведено принцип роботи вібратора з подвійною діафрагмою. Коли п’єзоелектрична кераміка певної товщини згинається під дією сили, вона подовжується з одного боку товщини та стискається з іншого боку, і всередині п’єзокерамічного листа утворюється заряд. Однак, оскільки вся діафрагма має однаковий напрямок поляризації, верхня сторона подовжена, а нижня сторона стиснута, так що електричний дипольний момент протилежний, а символи заряду верхньої та нижньої сторони однакові, тому немає різниці потенціалів, наприклад перемикання на дві структури подвійної діафрагми, що перекриваються, коли вона піддається силовому згину, можна отримати вихідну напругу. Дві частини діафрагми з протилежними напрямками поляризації з'єднані послідовно, і при додатку сили верхня частина подовжується, а нижня частина стискається. Оскільки напрями поляризації протилежні, верхня та нижня сторони подвійної діафрагми заряджені протилежно за знаком, і можна отримати вихідну напругу. Дві діафрагми з однаковим напрямком поляризації з’єднані паралельно для формування вихідної напруги.

(2) Структура та принцип роботи п’єзоелектричного керамічного датчика

Це структурна схема двоканального п'єзокерамічного датчика. Принцип роботи полягає в тому, що коли програвач відтворює звук, кінчик звукознімача рухається вздовж канавки для запису (на лівій і правій стінках канавок також вигравіруваний вібраційний сигнал), щоб створити синтетичну механічну вібрацію, і вібрація розкладається на дві взаємно перпендикулярні складові з’єднувальним елементом. Потім компоненти відповідно передаються на кінці двох датчиків (п’єзоелектрична діафрагма зазвичай використовується як тип подвійної діафрагми), щоб вони генерували вібрацію згину, і, нарешті, перетворювали та відновлювали сигнали лівого та правого каналів за допомогою позитивного п’єзоелектричного ефекту. М’якість, еластичність і жорсткість гумових застібок, гумових демпферів, гумових з’єднувальних елементів і гумових елементів голкоподібного стрижня в звукознімачі мають великий вплив на чутливість і частотну характеристику пристрою.

(3) Структура та принцип роботи п’єзоелектричного керамічного динаміка
П’єзоелектричний керамічний динамік — це простий і легкий електроакустичний пристрій, який має такі переваги, як висока чутливість, відсутність розсіювання магнітного поля, відсутність мідного дроту та магніту, низька вартість, низьке енергоспоживання, зручний ремонт і масове виробництво.

Система руху - це a П'єзоелектричні елементи з матеріалу PZT подвійна діафрагма, вібраційна система є паперовим конусом, а з'єднувальний компонент ефективно передає енергію приводної системи до вібраційної системи. Під час роботи електрична енергія, що подається на п’єзоелектричну керамічну подвійну діафрагму, перетворюється на механічну енергію, яка передається на паперовий конус через сполучний елемент для вібрації та звуку. П’єзоелектрична подвійна діафрагма має вищий імпеданс і є приводом напруги. Співвідношення між силою F і напругою V дорівнює F=KV, K — пропорційний коефіцієнт, механічний опір вібрації, включаючи опір випромінювання, дорівнює Z, а швидкість вібрації —
V=F/Z.
Можна отримати звуковий тиск P у центрі r плівки з високою вібрацією.

Де f - частота
- середня щільність
S—— ефективна площа конуса

Крім того, інші електроакустичні перетворювачі енергії, такі як передавач, приймач, зумер тощо, можуть бути виготовлені відповідно до п’єзоелектричного ефекту п’єзоелектричної кераміки.

(4) П’єзоелектричні керамічні вентилятори та реле.
П’єзоелектричні керамічні вентилятори можна перетворити на невеликі п’єзоелектричні керамічні вентилятори, які мають такі переваги, як малий об’єм, відсутність тепла, шуму, низьке енергоспоживання та тривалий термін служби. Це п’єзоелектричний керамічний деформатор для згинання, який складається з двох п’єзоелектричних керамічних листів, затиснутих металевою фольгою, і п’єзокерамічний лист генерує телескопічний рух під дією зовнішнього електричного поля. Якщо до двох п’єзокерамічних листів прикласти зворотну напругу, інша сторона стискається для розтягування, а металевий лист згинається та деформується. Якщо подати змінну напругу, металевий лист буде періодично вібрувати.

П'єзоелектричний керамічний вентилятор складається з двох деформаторів вигину. Після підключення до мережі змінного струму обидва леза натискаються стрілкою.