Aplicación del transductor de cerámica piezoeléctrica.

Vistas:0 Autor:Editor del sitio Hora de publicación: 2019-10-11 Origen:Sitio

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Las cerámicas piezoeléctricas se han utilizado ampliamente debido a su piezoelectricidad y la diversidad resultante de las propiedades electromecánicas. Estas aplicaciones generalmente se pueden dividir en dos categorías amplias, es decir, como vibradores piezoeléctricos. Cuando se usa como vibrador piezoeléctrico, se requiere que el material cerámico piezoeléctrico debe tener una buena estabilidad de la temperatura de frecuencia y un alto factor de calidad mecánica Q (q indica el grado de consumo de energía interno del material durante la conversión de vibración); Se requiere que se utilice como transductor. El alto factor de acoplamiento mecánico K (conversión mecánica a la energía eléctrica / energía mecánica de entrada, energía eléctrica a energía mecánica / energía eléctrica de entrada) y una constante dieléctrica relativa grande, a continuación se da la aplicación de cerámica piezoeléctrica.

Encendedor de cerámica piezoeléctrica
Este es un dispositivo que convierte la fuerza mecánica en una chispa eléctrica para encender la combustión, y es un transductor electromecánico. En 1958, el efecto piezoeléctrico de la cerámica de titanato de bario (Batio) se utilizó para la ignición. Sin embargo, este material deCapa de cerámica piezoeléctricaTiene una baja tasa de ignición y alto ruido. En 1962, se utilizaron ensayos de cerámica piezoeléctrica de titanato de zirconato (PZT) para hacer encendidores. Los encendidores se utilizan ampliamente en la vida diaria, la producción industrial y las aplicaciones militares para encender el gas y los diversos tipos de explosivos y cohetes.

I. Visión general
La cerámica piezoeléctrica es una película policristalina con efecto piezoeléctrico, y su proceso de producción se nombra después de su proceso de producción similar (pulverización de materias primas, molduras, sinterización de alta temperatura). Algunos cristales anisotrópicos se someten a la deformación bajo fuerza mecánica, lo que hace que las partículas de carga se desplazen relativamente, lo que resulte en las cargas unidas positivas y negativas en la superficie del cristal. Este fenómeno se llama efecto piezoeléctrico. Esta propiedad del cristal se llama piezoelectricidad. La cerámica piezoelectricidad se descubrió en 1880 por J. Curie y P. Curie Brothers. Unos meses más tarde, verificaron experimentalmente el efecto piezoeléctrico inverso, es decir, cuando se aplica un voltaje al cristal piezo, el cristal piezo se someterá a una deformación geométrica. Antes de 1940, solo se conocían dos tipos de ferroelectricos (no solo polarizados espontáneamente en un cierto rango de temperatura, sino también la polarización espontánea de los cristales que se pueden reorientar debido a la resistencia externa del campo): uno es fosfato de dihidrógeno de potasio y su equivalente. El primero tiene piezoelectricidad a temperatura normal, y tiene un valor técnico de uso, pero tiene la desventaja de ser fácil de disolver; Este último tiene cerámica piezoelectricidad a baja temperatura (menos de -14 c), y el valor de uso de la ingeniería no es grande. Se encontró que el titanato de bario (Batio) tenía una constante dieléctrica anormalmente alta. Pronto se encontró que era piezoeléctrico, y el descubrimiento de la cerámica piezoeléctrica Bati O era un salto cuántico para los materiales piezoeléctricos. Anteriormente, solo había un material de cristal piezoeléctrico, y posteriormente se apareció un material piezoeléctrico policristalítico, se apareció cerámica piezoeléctrica y se usó ampliamente. En 1947, Estados Unidos utilizó Batio Cerámica para hacer pastillas para los fonógrafos. Japón lo usó dos años. El material de Batio tiene la desventaja de que la piezoelectricidad es más débil que la sal de reposo y la piezoelectricidad es mayor que el cristal de cuarzo con temperatura. En 1954, B. Jaffe y otros descubrieron el sistema Piezoelectric Pbzro-PBTIO (PZT) SOLUCIÓN SOLIDA, que es un evento de fabricación de época que hizo imposible fabricar dispositivos en la batio. Desde entonces, se han desarrollado Cerámica piezoeléctrica transparente PZT para extender la aplicación de cerámicas piezoeléctricas al campo de la óptica. Hasta ahora, la aplicación de cerámicas piezoeléctricas, desde el desarrollo del universo hasta la vida de la familia, es extremadamente extensa. La investigación de China sobre las cerámicas piezoeléctricas comenzó a fines de la década de 1950, aproximadamente 10 años después de países extranjeros. En la actualidad, hay fuerzas bastante fuertes en la producción de prueba y la producción industrial de cerámica piezoeléctrica. Muchos materiales han alcanzado o están cerca del nivel internacional.

El mecanismo físico de piezoelectricidad piezocerámica.
Las cerámicas piezoeléctricas son policristales cuya piezoelectricidad.Sensor de disco PIZOSe puede explicar por la piezoelectricidad del cristal piezo. Bajo la acción de la fuerza mecánica, el momento total del dipolo eléctrico (polarización) cambia, lo que resulta en un fenómeno piezoeléctrico. La piezoelectricidad está estrechamente relacionada con la polarización, la deformación y similares.

Mecanismo microscópico de polarización.

El estado de polarización es un estado en el que el campo eléctrico ejerce una fuerza de desplazamiento relativa en el punto cargado de la dieléctrica y un equilibrio temporal de atracción mutua entre los cargos. Hay tres mecanismos principales de polarización.

(1) polarización de desplazamiento de electrones: el átomo o ion de un dieléctrico no coinciden con el centro de carga negativa de un núcleo cargado positivamente y un electrón de concha bajo la acción de una fuerza de campo eléctrico.

(2) Polarización de desplazamiento de iones: los iones positivos y negativos de la dieléctrica se desplazan relativamente bajo la acción de una fuerza de campo eléctrico, generando así un momento de dipolo eléctrico.

(3) Polarización de la orientación: las moléculas polares que conforman el dieléctrico tienen un determinado momento eléctrico intrínseco (inherente). Debido al movimiento térmico, la orientación está desordenada, el momento eléctrico total es cero. Cuando se aplica un campo eléctrico, el momento del dipolo eléctrico. La dirección del campo eléctrico se alinea y aparece un momento de dipolo eléctrico macroscópico. Para los cristales anisotrópicos, la polarización está relacionada con la presencia de un campo eléctrico.

2. Efecto piezoeléctrico.

(1) efecto piezoeléctrico positivo
Cuando el cristal piezoeléctrico está deformado por una fuerza externa, los centros de carga positiva y negativa son relativamente desplazados, y las cargas opuestas se generan en algunas caras correspondientes, y se produce la intensidad de la polarización. Este fenómeno de ningún campo eléctrico y polarización por deformación se denomina efecto piezoeléctrico positivo.

Para los cristales anisotrópicos, se aplica el estrés al cristal; (cepa correspondiente), el cristal tendrá una polarización proporcional en las tres direcciones de x, y, y z, que se llaman constante de tensión piezoeléctrica y una cepa piezoeléctrica constante, respectivamente.

(2) efecto piezoeléctrico inverso
Cuando se aplica un campo eléctrico al cristal, no solo la polarización, sino que también se genera deformación, y este fenómeno de deformación por parte del campo eléctrico se llama un efecto piezoeléctrico inverso. Esto se debe a que cuando el cristal está sujeto a un campo eléctrico, se genera la tensión (tensión piezoeléctrica) dentro del cristal, y la tensión piezoeléctrica se genera por estrés.

3. Mecanismo de efecto de presión.
El efecto piezoeléctrico se descubrió por primera vez en cristales piezo. Ahora usamos cristales piezoes como modelo para ilustrar el mecanismo físico del efecto piezoeléctrico.
Cuando no se aplica presión, se distribuyen los centros de carga positivos y negativos del cristal. En este momento, los centros de carga positivos y negativos coinciden, y el momento eléctrico total del cristal es igual a cero, y la superficie de cristal no está cargada (no piezoeléctrica).

Cuando se aplica la presión en la dirección X, el cristal se deforma, y los centros de carga positiva y negativa se separan, es decir, el dipolo eléctrico cambia, de modo que la acumulación de carga se produce en la superficie X.Cuando la presión se aplica en la y- Dirección del eje, la distribución de los centros de carga positiva y negativa del cristal se muestra aquí, cuando el momento del dipolo eléctrico total cambia y causa una acumulación de carga en el plano X opuesto al frente. Obviamente, reemplazar la fuerza de compresión anterior con una fuerza de tracción indica que el signo de la carga se invierte. En resumen, cuando se aplica una presión a un cristal piezoeléctrico, se puede causar un efecto piezoeléctrico.

Aplicación de cerámica piezoeléctrica.

Las cerámicas piezoeléctricas se han utilizado ampliamente debido a su piezoelectricidad y la diversidad resultante de las propiedades electromecánicas. Estas aplicaciones generalmente se pueden dividir en dos categorías amplias, es decir, como vibradores piezoeléctricos. Cuando se usa como vibrador piezoeléctrico, el material cerámico piezoeléctrico es necesario para tener una buena estabilidad de la temperatura de frecuencia y un alto factor de calidad mecánica Q (q indica el grado de consumo de energía interno del material durante la conversión de vibración); Se requiere que se utilice como transductor. Alto factor de acoplamiento mecánico K (= transformación mecánica a energía eléctrica / energía mecánica de entrada, o = energía eléctrica a energía mecánica / energía eléctrica) y las constantes dieléctricas relativas grandes se dan a continuación para aplicaciones de cerámica piezoeléctrica.

Encendedor de cerámica piezoeléctrica
Este es un dispositivo que convierte la fuerza mecánica en una chispa eléctrica para encender la combustión, y es un transductor electromecánico. En 1958, el efecto piezoeléctrico de la cerámica de titanato de bario (Batio) se utilizó para la ignición. Sin embargo, el material PZT tiene una baja tasa de ignición y un alto ruido. En 1962, se utilizaron ensayos de cerámica piezoeléctrica de titanato de zirconato (PZT) para hacer encendidores. Los encendidores se usan ampliamente en la vida cotidiana, la producción industrial y las aplicaciones militares para encender el gas y los diversos tipos de explosivos y cohetes.

(1) Principios básicos

El proceso de trabajo del encendedor se divide en tres etapas: generación de alta presión, ignición de descarga y ignición de gas inflamable.

Generación de alto voltaje: tomando un componente cerámico piezoeléctrico cilíndrico como ejemplo, cuando la fuerza mecánica F actúa sobre el cilindro, el cristal piezo se distorsiona, lo que provoca el centro de los cargos positivos y negativos en el cristal para cambiar, de modo que una Gran cantidad de carga se acumula en las superficies superiores e inferiores del cilindro y un

(2)Salida de alto voltaje.

Descarga de encendido: coloque el componente piezocerámico en un bucle cercano con un espacio adecuado. Cuando el voltaje se eleva a la tensión de descarga de la brecha, se genera una chispa en la brecha.

Ignite el gas combustible: generalmente el gas de combustible no es fácil de grabar, por lo que generalmente se usa para vaporizar fácilmente el etano. Para ampliar el tiempo de descarga para evitar que la chispa se extienda demasiado rápido para aumentar la velocidad de encendido, se puede insertar una resistencia adecuada en el extremo de descarga.

(3) Estructura del encendedor y principio de funcionamiento.

Hay muchos tipos de encendidores, y la estructura y el principio de funcionamiento del encendedor piezoeléctrico se toman como ejemplo. El encendedor que se muestra se puede fijar a la cocina doméstica para encender el gas, gire el interruptor de leva 1, presione el bloque de impacto 3 con la parte que sobresale de la leva y comprima el resorte 2 detrás del bloque de impacto. Cuando la proyección de leva está separada del bloque de impacto. Debido a la fuerza elástica de la primavera, el bloque de impacto proporciona el elemento cerámico piezoeléctrico una fuerza de impacto, y se genera un alto voltaje a través del elemento piezoeléctrico, y se produce un alto voltaje del electrodo intermedio 5 para generar una chispa eléctrica para encenderse el gas.

2. Transformador piezoeléctrico.
Desde la década de 1950, se han desarrollado transformadores piezoeléctricos. En ese momento, el titanato de bario se usó como material principal. El impulso es relativamente bajo (solo 50-60 veces). El voltaje de salida es de alrededor de 3000 voltios. Con el advenimiento de los materiales cerámicos piezoeléctricos de titanato de zirconato de plomo, la relación de refuerzo se ha incrementado a 300-500 veces, y se ha aplicado gradualmente a televisores, copiadoras electrostáticas y generadores de iones negativos como fuentes de alimentación de alto voltaje.

(1) Principios básicos
La entrada de energía de vibración eléctrica a la lámina de cerámica piezoeléctrica se convierte en energía de vibración mecánica mediante el efecto piezoeléctrico inverso, y luego se convierte en energía eléctrica mediante el efecto piezoeléctrico positivo. La conversión de impedancia (de baja impedancia a la alta impedancia) se logra en estas dos conversiones de energía para lograr una salida de alto voltaje en la frecuencia resonante del chip de cerámica piezo. El principio de transformación se explica tomando un transformador horizontal y vertical de la vibración de estiramiento como ejemplo.

La pieza cerámica piezo entera se divide en dos partes, la parte izquierda es el extremo de entrada (también llamado la parte de conducción), los lados superior e inferior tienen el electrodo de plata infiltrado, que se polariza en la dirección del grosor y la parte derecha es El extremo de salida (también se llama la parte generadora de energía), y el extremo derecho. Hay un electrodo de plata que se infiltra en la superficie. Polarizado a lo largo de la longitud. Cuando el terminal de entrada se aplica con una tensión alterna, debido al efecto piezoeléctrico inverso, la lámina de cerámica piezoe genera la vibración de estiramiento a lo largo de la dirección de longitud, que convierte la energía eléctrica de entrada en energía mecánica; y la porción de generación de energía convierte la energía mecánica en energía eléctrica a través del efecto piezoeléctrico positivo. Donde el factor de calidad mecánico del material; - los coeficientes de acoplamiento electromecánico longitudinal y transversal del material; la longitud de la parte de generación de potencia L; T - El grosor del transformador.

(2) Aplicación del transformador piezoeléctrico.
Los transformadores piezoeléctricos se utilizan principalmente en el caso de una conversión de alto voltaje, baja potencia y ondas sinusoidales, y tienen las ventajas únicas de alto voltaje de salida, peso ligero, volumen pequeño, sin fugas de campo magnético, sin combustión. Para obtener múltiples salidas de voltaje, de acuerdo con el voltaje de salida del transformador horizontal-vertical es proporcional a la longitud, cuanto más cerca del extremo de la parte de generación de energía, mayor será el voltaje, podemos hacer que los electrodos sean los grifos en diferentes posiciones. de la parte de generación de energía, obteniendo así las diferentes salidas de voltaje. .

4. Pastillas de cerámica y altavoces de cerámica.

Las cerámicas piezoeléctricas se utilizan ampliamente en dispositivos electroacústicos, tales como pastillas y altavoces de cerámica piezoeléctricos. Los receptores y similares se desarrollan utilizando las propiedades de transducción de las cerámicas piezoeléctricas (la energía mecánica se convierte en energía eléctrica o viceversa).

(1) Vibrador de doble diafragma de diafragma

Los dispositivos electroacústicos requieren baja impedancia mecánica y se pueden combinar con fuentes de sonido o fuentes de vibración. Los vibradores piezoeléctricos de tipo diafragma doble pueden cumplir con estos requisitos. Se compone de dos piezas de hojas de cerámica piezoeléctricas estiradas a lo largo. Cuando se estira una pieza, la otra pieza se acorta y el todo está doblado.

Se da el principio de funcionamiento del doble vibrador de diafragma. Cuando una cerámica piezoeléctrica con un cierto espesor está doblado debajo de la fuerza, se alarga en un lado del grosor y se comprime en el otro lado, y se genera una carga dentro de la lámina de cerámica piezo. Sin embargo, dado que todo el diafragma tiene la misma dirección de polarización, la parte superior está alargada, y el lado inferior está comprimido, de modo que el momento del dipolo eléctrico es opuesto, y los símbolos de carga lateral superior e inferior son los mismos, por lo que no hay Diferencia potencial, como cambiar a dos estructura de diafragma de doble diafragma superpuestas, cuando se somete a la flexión de la fuerza, se puede obtener la salida de voltaje. Dos piezas de diafragmas con direcciones opuestas de polarización están conectadas en la serie, y cuando se aplica la fuerza, la pieza superior está alargada y la pieza inferior está comprimida. Dado que las direcciones de polarización son opuestas, los lados superior e inferior del diafragma doble están cargados de manera opuesta con un letrero, y se puede obtener una salida de voltaje. Los dos diafragmas con la misma dirección de polarización están conectados en paralelo para formar un voltaje de salida.

(2) estructura de recogida de cerámica piezoeléctrica y principio de trabajo

Es un diagrama de estructura de una recogida de cerámica piezo de dos canales. El principio de funcionamiento es que cuando el jugador juega el sonido, la punta de la camioneta se mueve a lo largo de la ranura del registro (las paredes de la ranura izquierda y derecha también están grabadas con una señal de vibración) para generar una vibración mecánica sintética, y la vibración se descompone en Dos componentes mutuamente perpendiculares por el miembro de acoplamiento. Luego, los componentes se transmiten respectivamente a los extremos de dos sensores (el diafragma piezoeléctrico se usa comúnmente como un tipo de diafragma doble), de modo que generan la vibración de flexión, y finalmente se convierte y se restauran a las señales de canal izquierdo y derecho por la piezoeléctrica positiva. efecto. La suavidad, la elasticidad y la rigidez de los sujetadores de goma, los miembros de la amortiguación de goma, los miembros de acoplamiento de goma y los miembros de goma de la barra de agujas en la recogida tienen una gran influencia en la sensibilidad y la respuesta de frecuencia del dispositivo.

(3) Estructura de altavoz de cerámica piezoeléctrica y principio de funcionamiento.
El altavoz cerámico piezoeléctrico es un dispositivo electroacústico simple y ligero, que tiene las ventajas de la alta sensibilidad, sin dispersión de campo magnético, sin alambre de cobre y un imán, bajo costo, bajo consumo de energía, reparación conveniente y producción en masa.

El sistema de conducción es unElementos piezoeléctricos de material PZTDouble diafragma, el sistema de vibración es un cono de papel, y el componente de acoplamiento transmite la energía del sistema de accionamiento al sistema de vibración de manera eficiente. Durante la operación, la energía eléctrica aplicada al diafragma de doble cerámica piezoeléctrica se convierte en energía mecánica, que se transmite al cono de papel a través del elemento de acoplamiento a vibración y sonido. El diafragma doble piezoeléctrico tiene una mayor impedancia y constituye una unidad de voltaje. La relación entre la Fuerza F y la voltaje V es F = KV, K es un coeficiente proporcional, y la impedancia mecánica de vibración, incluida la impedancia de la radiación es Z, y la velocidad de vibración es
V = f / z
Se puede obtener la presión de sonido P en el centro R de la película de alta vibración.

Donde f - frecuencia
- densidad media
S - El área efectiva del cono.

Además, otros convertidores de energía electroacústica, como un transmisor, un receptor, un zumbador, etc., pueden hacerse de acuerdo con el efecto piezoeléctrico de la cerámica piezoeléctrica.

(4) Fans de cerámica piezoeléctricos y relés
La cerámica piezoeléctrica se puede hacer en un pequeño ventilador de cerámica piezoeléctrico, que tiene las ventajas de un pequeño volumen, no hay generación de calor, sin zumbido, bajo consumo de energía y larga vida útil. Es un deformador de flexión cerámica piezoeléctrica, que se compone de dos hojas de cerámica piezoeléctrica intercalada por una lámina de metal, y la lámina de cerámica piezo genera un movimiento telescópico bajo la acción de un campo eléctrico externo. Si se aplican dos hojas de cerámica piezo con un voltaje inverso, el otro lado se contrata para estirarse, y la lámina de metal está doblada y deformada. Si se aplica un voltaje alterno, la hoja de metal vibrará periódicamente.

El ventilador de cerámica piezoeléctrico está compuesto por dos deformadores de flexión. Después de conectar la alimentación de CA, las dos palas son presionadas por la flecha.