Важливе застосування п'єзоелектричної кераміки

                           Важливе застосування п'єзоелектричної кераміки

П'єзоелектрична кераміка широко використовується через її п'єзоелектрику та різноманітність електромеханічних властивостей, викликаних п'єзоелектрикою. Через велику різноманітність п'єзоелектричних керамічних пристроїв і широку сферу їх застосування важко строго класифікувати їх простим методом. Загальні застосування можна розділити на дві категорії: п’єзоелектричні вібратори та п’єзоелектричні перетворювачі.

1. Перетворювач

Застосування п'єзоелектричного ефекту різноманітне, і одним з найважливіших є використання його характеристик s перетворювачів  . Це електричну характеристика перетворення енергії , це  ефект  електрики, який застосовується до п’єзоелектричної кераміки, енергію можна перетворити на механічну через ефект зворотної напруги; Електричний ефект перетворює механічну енергію в електричну. Люди використовують цю фізичну властивість п’єзоелектричної кераміки для виготовлення багатьох видів п’єзоелектричних пристроїв, які широко використовуються в підводному зв’язку, ультразвуку, високовольтному запалюванні та інших сферах.

1, п'єзоелектричний керамічний запальник

Це пристрій, який перетворює механічну силу в електричні іскри для запалювання горючих речовин. Це електромеханічний перетворювач. У 1958 році він вперше використав п'єзоелектричний ефект кераміки з титанату барію (BaTiO3) для запалювання. Швидкість займання цього п'єзоелемент п'єзострижень невисокий, і шум великий. У 1962 році п'єзокераміка з цирконат-титанату свинцю (PZT) була використана для виготовлення запальників. Цей вид запальника широко використовується в побуті, промисловому виробництві і військовій справі, і використовується для запалювання і детонації газів, різних вибухових речовин і ракет.

(1) Основний принцип: робочий процес запальника ділиться на три етапи: генерація високої напруги, розрядне запалювання та запалювання горючого газу. Генерація високої напруги. Візьмемо для прикладу циліндричні п’єзоелектричні керамічні елементи, коли механічна сила F діє на циліндр, кристал буде спотворений, спричиняючи зсув центру позитивних і негативних зарядів у кристалі, так що на верхній і нижній поверхнях циліндра накопичуватиметься велика кількість вільних зарядів, це створює високу вихідну напругу. Вихідна напруга: V=ga3Fh/A, де A——площа поперечного перерізу циліндра; h——висота циліндра; ga3 — постійна п’єзоелектрична напруга. Розрядне запалювання - помістіть п'єзоелектричний керамічний елемент у замкнутий ланцюг і залиште належний зазор. Коли напруга підвищується до напруги розряду проміжку, у проміжку буде генеруватися розрядна іскра. Запалювання горючого газу - звичайний паливний газ непросто спалити, тому в основному використовується етан, який легко газифікувати. Щоб подовжити час розряду та запобігти надто швидкому згасанню іскри, збільште швидкість займання. Відповідний резистор можна підключити послідовно на розрядному кінці.

 

(2) Структура та принцип роботи запальника . Тут є багато видів запальників, і побутовий п’єзоелектричний запальник взято як приклад, щоб проілюструвати його структуру та принцип роботи. Його можна закріпити на побутовій плиті, щоб запалити газ, повернути кулачковий перемикач, він  використовує виступаючу частину кулачка, щоб штовхнути ударний блок, і стиснути пружину за ударним блоком. Коли виступаюча частина кулачка відривається від ударного блоку, завдяки пружній силі пружини, ударний блок надає  п’єзокерамічному п’єзоелектричному .елементу ударну силу, яка генерує високу напругу на обох кінцях п’єзоелектричного елемента, і виводить високу напругу від середнього електрода для генерування електричної іскри для запалювання газу.

 

2. Підводний акустичний перетворювач

Підводний акустичний перетворювач — це перетворювач, який використовується для підводного зв’язку та виявлення. Люди знають, що повітряний зв’язок і виявлення в основному покладаються на електромагнітні хвилі, такі як радіозв’язок і радіолокаційне обладнання тощо, усі покладаються на електромагнітні хвилі для передачі інформації в повітрі. Неможливо використовувати електромагнітні хвилі для підводного зв'язку та виявлення. Це пояснюється тим, що електромагнітні хвилі мають великі втрати при поширенні у воді, і вони будуть поглинені тим, хто не подорожує далеко. Однак втрати при поширенні звукових хвиль у воді дуже малі, тому підводний зв’язок і виявлення в основному використовують звукові хвилі, які використовуються для передачі інформації, а інструменти, які генерують і виявляють звукові хвилі, називаються гідролокаційними системами. Гідролокаційні системи є незамінними інструментами для підводної навігації, зв’язку, виявлення підводних човнів і рибних косяків, а також морських досліджень. Люди порівнюють гідролокатор у воді з радаром у повітрі, а очі та вуха гідролокатора є підводними акустичними перетворювачами. Дослідження підводних акустичних перетворювачів почалися під час Першої світової війни. Французький Ланжевен вперше використав кристали кварцу для виготовлення підводних акустичних перетворювачів на основі п’єзоелектричного ефекту. Хоча підводний акустичний перетворювач, створений Lang Zhiwan, був обмежений технічними умовами того часу і фактично не використовувався на глибоководних підводних човнах, він зробив значний внесок у розвиток підводної акустичної науки в майбутньому. Перетворювач Ланжевена використовує ефект зворотної напруги кристала кварцу для випромінювання звукових хвиль у воду, П’єзокерамічна трубка приймає звукові хвилі, що повертаються від води через ефект позитивної напруги, і виконує деякі підводні вимірювання відповідно до часу зворотно-поступального руху імпульсних звукових хвиль.

Люди провели глибокі та систематичні дослідження п'єзоелектричні підводні акустичні перетворювачі , щоб зробити їх практичними. Однак основними п'єзоелектричними матеріалами, використовуваними в той час, були водорозчинні п'єзокристали - сіль Роша і діоксифосфат калію. Наприкінці 1950-х років з'явилася п'єзоелектрична кераміка. Виготовлення підводних акустичних перетворювачів з п’єзоелектричної кераміки майже стало основним п’єзоелектричним матеріалом, який вибирають люди. Оскільки він має багато характеристик, яких не мали п’єзоелектричні кристали в минулому, він став найбільш ідеальним п’єзоелектричним матеріалом для виготовлення підводних акустичних перетворювачів, і немає іншого матеріалу, який міг би зрівнятися з ним. Основними перевагами п'єзоелектричних керамічних підводних акустичних перетворювачів є:

(1) Немає потреби в напрузі зміщення постійного струму та котушки, система вібрації проста;

(2) П'єзоелектричний керамічний перетворювач невеликий за розміром і має чудові характеристики;

(3) Керамічні п’єзоелектричні перетворювачі можуть мати будь-яку необхідну форму.

П'єзоелектричні перетворювачі є найбільш широко використовуваним типом перетворювачів у галузі підводної акустичної техніки. Показники ефективності підводних акустичних перетворювачів повинні мати лише робочу частоту, електромеханічний коефіцієнт зв’язку, електромеханічний коефіцієнт перетворення, добротність, частотні характеристики, характеристики імпедансу, характеристики спрямованості, амплітудні характеристики, чутливість передачі, чутливість прийому, потужність передавача, властивості стабільності температури та часу, механічну міцність і вагу тощо. Однак для практичного перетворювача не обов’язково висувати так багато індексних вимог незалежно від випадку, але висувати різні та репрезентативні вимоги до індексу відповідно до випадків його використання та застосування.

По-друге, п'єзоелектричний вібратор

Після появи П'єзокераміка PZT , можливе виготовлення керамічних фільтрів. Керамічні фільтри з різними частотами можна виготовити за допомогою різних режимів коливань п'єзоелектричних вібраторів. Найперший застосований режим вібрації – це радіальна вібрація або контурна вібрація, створюючи фільтр 455 кГц. Пізніше частота керамічних фільтрів розвинулася до обох кінців, причому верхній кінець досягав 10 МГц, а низький — нижче 1 кГц. Завдяки застосуванню режиму енергетичної пастки частота керамічного фільтра досягає 100 МГц, фільтр поверхневої акустичної хвилі, збуджений міжпальцевим перетворювачем, сягає вище 1 ГГц, а найвища частота фільтра поверхневої акустичної хвилі з використанням п’єзоелектричної кераміки як підкладки досягає 630 МГц.

П'єзоелектричний трансформатор також є вібратором з точки зору його застосування, і його основна структура полягає у встановленні двох наборів електродів на п'єзоелектричному керамічному корпусі для формування чотирьох терміналів. Додавання електричного сигналу до первинної сторони змушує її резонувати, а вторинна сторона має вихід. Таким чином, він працює як трансформатор під час резонансу. Дослідження п'єзоелектричних трансформаторів почалися раніше. Потужність і рушійну напругу п'єзоелектричних трансформаторів з монолітної кераміки підвищити нелегко. Багатошаровий п’єзоелектричний трансформатор виготовляється за тією ж багатошаровою композитною технологією, що й технологія виробництва монолітного конденсатора, а його потужність і провідна напруга значно покращені, що ще більше розширює діапазон застосування п’єзоелектричного трансформатора.

 

1. П'єзоелектричний трансформатор

П'єзоелектричні трансформатори розробляються з 1950-х років. У той час в якості основного матеріалу використовувався титанат барію. Коефіцієнт наддуву низький (лише 50-60 разів). Вихідна напруга близько 3000В. З появою п’єзоелектричних керамічних матеріалів на основі титанату свинцю коефіцієнт підвищення збільшується до 300-500 разів, і він поступово популяризується та використовується в телевізорах, електростатичних копіювальних апаратах і генераторах негативних іонів як джерела живлення високої напруги.

(1) Основні принципи. Енергія електричної вібрації, що надходить до п’єзоелектричної кераміки, перетворюється в енергію механічної вібрації через зворотний п’єзоелектричний ефект, а потім перетворюється в електричну енергію через позитивний п’єзоелектричний ефект. Перетворення імпедансу (від низького імпедансу до високого) здійснюється під час цих двох перетворень енергії, так що високий п’єзоелектричний вихід може бути отриманий на резонансній частоті керамічного листа. Тепер візьмемо горизонтальні та вертикальні трансформатори з розтягувальною вібрацією як приклад, щоб проілюструвати принцип роботи трансформаторів.

 

Весь керамічний чіп розділений на дві частини, ліва частина є вхідним кінцем (також відома як рушійна частина), є випалені срібні електроди на верхній і нижній сторонах, поляризовані вздовж напрямку товщини, права частина є вихідним кінцем (також відома як частина генерації електроенергії), а права частина є кінцем виходу (також відома як частина генерації електроенергії). На поверхні є обпалені срібні електроди. Поляризована по довжині. Коли змінна напруга подається на вхідний кінець, завдяки ефекту зворотної напруги, керамічний шматок вироблятиме вібрацію розтягування вздовж напрямку довжини, яка перетворюватиме вхідну електричну енергію в механічну енергію; в той час як частина генерації електроенергії перетворює механічну енергію в електричну через ефект позитивної напруги, а потім передає її з вихідного кінця вихідної напруги. Коли навантаження відсутнє, коефіцієнт підвищення розімкнутого контуру, Qm є механічним коефіцієнтом якості матеріалу; K31, K33 – поздовжній і поперечний коефіцієнти електромеханічного зв’язку матеріалу; L – довжина генеруючої частини; t - товщина трансформатора. П'єзоелектричні трансформатори в основному використовуються у випадку високої напруги, низької потужності та перетворення синусоїдальної хвилі та мають унікальні переваги, такі як висока вихідна напруга, мала вага, малий розмір, відсутність витоку магнітного поля та відсутність горіння. Щоб отримати кілька виходів напруги, відповідно до вихідної напруги горизонтально-вертикального трансформатора пропорційна довжині, чим ближче до кінця частини генерації електроенергії, тим вище напруга, і електроди можуть бути зроблені в різних положеннях частини генерації електроенергії як головки вала для отримання різних виходів напруги.

 

(2) Основний принцип роботи та характеристики монолітних (багатошарових) п’єзоелектричних керамічних трансформаторів. П'єзокераміка є крихким матеріалом. Щоб забезпечити його механічну міцність, п'єзоелектричний трансформатор повинен мати певну товщину, а напруга руху вищезгаданого трансформатора досить обмежена. З цієї причини з’явився проект монолітного (багатошарового) п’єзоелектричного керамічного трансформатора. Після прийняття монолітної (багатошарової) структури товщину та кількість шарів кожного окремого шару можна регулювати, а напруга керування більше не обмежена, тому напруга може бути зроблена, щоб електричні трансформатори могли працювати в найкращому стані незалежно від того, у якій напрузі вони знаходяться.

Основними технологіями цього проекту є субмікронне низькотемпературне спікання п'єзоелектричні керамічні матеріали , технологія спільного спалювання внутрішніх електродів, технологія поляризаційної обробки та структурний дизайн. Монолітні (багатошарові) п'єзоелектричні керамічні трансформатори (МПТ) є третім поколінням електронних трансформаторів з такими особливостями.

① Ультратонкий: товщина зазвичай не перевищує 4 мм.

②Висока ефективність перетворення: понад 97% при повному навантаженні (резистивне навантаження).

③ Він має функцію самозахисту автоматичного відключення навантаження від короткого замикання.

④Резонансний трансформатор: він може реалізувати перетворення нульової напруги та нульового струму.

⑤ Він має вихідні характеристики квазіпостійного струму для навантажень з низьким імпедансом.

⑥ Відсутність зворотної пікової напруги, надійний захист схеми підсилювача потужності.

⑦ Відсутність електромагнітних перешкод.

⑧Немає поломки котушки, поломки цвілі.

⑨Стійкість до сольових бризок, хороша стійкість до погодних умов, особливо підходить для використання в морському кліматі.

 

2. П'єзоелектричний керамічний звукознімач і динамік

П'єзоелектричні керамічні перетворювачі широко використовуються в електроакустичному обладнанні, такому як п'єзоелектричні керамічні звукознімачі та динаміки.

(1) Вібратор з подвійною діафрагмою (Малюнок 6-16). Електроакустичне обладнання вимагає низького механічного опору та може відповідати джерелу звуку чи вібрації, а п’єзоелектричний вібратор із подвійною діафрагмою може відповідати цим вимогам. Він виготовлений з двох п’єзоелектричних керамічних листів, які розтягуються по довжині. Коли один шматок розтягується, другий шматок скорочується, а весь згинається.

 

Це дає принцип роботи вібратора з подвійною діафрагмою. Коли шматок п'єзоелектричної кераміки певної товщини згинається під дією сили, одна сторона його товщини подовжується, а інша стискається. У цей час всередині керамічного шматка будуть генеруватися заряди. , але оскільки напрямок поляризації всієї діафрагми однаковий, верхня сторона подовжена, а нижня сторона стиснута, що спричиняє протилежність електричного дипольного моменту, а верхня та нижня сторони мають однаковий знак заряду, тому різниці потенціалів немає, як показано на малюнку 6-16 (a). Якщо замість цього використовувати структуру з подвійною діафрагмою з двома накладеними один на одного листами, вихідна напруга може бути отримана, коли сила згинається. На малюнку 6-16(b) використовуються дві послідовно з’єднані діафрагми з протилежними напрямками поляризації. При додатку сили верхній розтягується, а нижній стискається. Оскільки напрями поляризації протилежні, верхня і нижня сторони подвійної діафрагми заряджені протилежними знаками, і можна отримати вихідну напругу. Малюнок 6-16(c) формується шляхом паралельного з’єднання двох діафрагм з однаковим напрямком поляризації, і також можна отримати вихідну напругу.

 

(2) Конструкція та принцип роботи п’єзоелектричного керамічного динаміка: п’єзоелектричний керамічний динамік — це простий і легкий електроакустичний пристрій з високою чутливістю, відсутність переливу магнітного поля, відсутність потреби в мідних дротах і магнітах, низька вартість, низьке енергоспоживання, легкий ремонт, легке масове виробництво тощо.

Його система приводу - п'єзоелектрична керамічна подвійна діафрагма, система вібрації - паперовий конус, а з'єднувальний елемент ефективно передає енергію системи приводу в систему вібрації. Під час роботи електрична енергія, що додається до п’єзоелектричної керамічної подвійної діафрагми, перетворюється на механічну енергію, яка передається на паперовий конус через з’єднувальний елемент, щоб він вібрував і звучав. П'єзоелектрична подвійна діафрагма має відносно високий імпеданс, який є джерелом напруги. Співвідношення між силою F і напругою V є F=KV, а K — пропорційний коефіцієнт. Якщо механічний опір вібрації, включаючи опір випромінювання, дорівнює Z, швидкість вібрації: v=F/Z, можна отримати звуковий тиск P у центрі r високої діафрагми. |P|=10fρS/r |v| де: f – частота; ρ—середня щільність; S — ефективна площа тіла хребця. Крім того, інші електроакустичні перетворювачі енергії можуть бути виготовлені відповідно до п’єзоелектричного ефекту п’єзоелектричної кераміки, такі як передавачі, приймачі, зумери тощо.