Пьезо PZT керамик цагиргууд сенсорын ажиллагааг хэрхэн сайжруулах вэ

Үндсэн пьезоэлектрик механизм: Яагаад PZT керамик цагиргууд илүү өндөр мэдрэг чанартай байдаг вэ

Олон талст PZT-д шууд ба урвуу пьезоэлектрик үйлчлэл

Харилцан хувиргалт гэж нэрлэдэг шууд ба урвуу пьезо цахилгаан үйлчлэл дээр суурилсан механик энергиийг цахилгаан дохионд хувиргах, мөн эсрэгээр нь хувиргах үйл явцад цирконат титанатын харимхай эсвэл PZT керамик бөглүүрүүд ашиглагддаг. Эдгээр материалыг даралт эсвэл хэлбэлзэл зэрэг механик стрессэд өртөх үед тэдгээрийн электрод дээр гадаргуугийн цэнэг үүсдэг. Харин цахилгаан хүчдэлийг хэрэглэхэд тэд хяналттай байдлаар хэлбэрээ өөрчилдөг бөгөөд иймээс тэдгээрийг актюаторын зориулалтаар ашиглахад маш тохиромжтой болгодог. Ердийн дан нарийн тунгалагт бус поликристаллын PZT-г ялгаж буй зүйл бол ферро цахилгаан чиглүүд гэж нэрлэдэг жижиг дотоод бүтцийнхээ ажиллах арга юм. Энэхүү чиглүүдийг тодорхой чиглэлд тойруулах полюстай болгох процессоор эрэмбэлдэг. Энэ эрэмбэлэлт материал дахь цэнэгийг үр дүнтэй зөөх чадварыг сайжруулдаг. Ингэснээр зохих байдлаар найрлагаар нь тохируулсан эдгээр керамикууд нэг Ньютон хүчний нөлөөллөөр 500 пК/Н-ээс давсан анхдагч пьезо цахилгаан коэффициент (d утга) -д хүрч чаддаг.

Амжилт d ₃₁ ба d радиал ба тэнхлэгийн цэнэгийн үүсгэвэрт оролцож буй ₃₃ коэффициентууд

Цагирган хэлбэр чиглэлт пьезоэлектрик шинж чанарыг ашиглан мэдрэг чанарыг нэмэгдүүлдэг. Радиал чиглэлд даралт өгөхөд энэ нь хөндлөн горим гэгдэх d31 коэффициенттэй ажиллана. Тэнхлэгийн хүч нь хазайлтын хариу үйлдлийг идэвхжүүлэхийн тулд d33 коэффициентийг идэвхжүүлдэг. Цагирган бүтэц нь цахилгаан статик стрессийг дугуй хэлбэрээрээ жигд тараах боломжийг олгох бөгөөд энэ нь радиал деформацийг зохих ёсоор зөөхөд илүү сайн байх естөй болгодог. Иймээс ижил хүчийг өгөх үед энгийн дискний хэлбэртэй харьцуулахад цэнэгийн нягт ихээр нэмэгддэг. Баталгаат сэтгүүлүүдэд нийтэлсэн судалгаа нь цагирган бүтэц нь радиал ажиллагааны үед ойролцоогоор 18 хувийн илүү их хүчдэл үүсгэдэг гэж баталдаг. Энэ нь дохионы шуугиан багатай, цэвэр байх боломжийг олгох бөгөөд хүчийг хэмжих, хэлбэлзэл илрүүлэх, авиа анализ хийх зэрэг нарийвчлал шаардсан хэрэглээнд тусгайлан чухал ач холбогдолтой болгодог.

Энэ радиал горимын давуу тал нь сенсорын хэмжээ эсвэл цахилгаан хэрэглээг нэмэхгүйгээр илүү нарийвчлалыг бий болгоно.

Геометрийн давуу тал: Цагирган бүтэц хэрхэн цахилгаан механик хувиргалтын үр ашгийг сайжруулдаг вэ

Цагирган загваруудад радиал горимын давамгайлал ба ширгэлтийн холболтыг хамгийн бага болгох

PZT керамик цагиргууд нь ир төрөх хажуугийн хэлбэлзлийг зогсоодог хаалттай гүйдэлтэй байдаг тул ийм хэлбэр нь тэдгээрийн ирмэгүүд бүгд тасралтгүй холбогдсон байдаг. Ердийн хавтан эсвэл дискэнд ийм аз аз жаргал байхгүй, учир нь тэдгээрийн ирмэгүүд стрессийн концентрацийн цэгүүдийг үүсгэдэг. Өнгөрсөн жилийн IEEE Ультрасониксын чуулган дээр судлаачид ийм ирмэгийн асуудал нь цагиргийн хэлбэр биш хэлбэрүүдэд хүссэнгүй хажуугийн алдагдлыг 25-30% хүртэл энергийг алдуулдаг болохыг олжээ. Гэхдээ цагиргийн загварууд илүү сайн ажилладаг бөгөөд пьезоэлектрик эффект хамгийн сайн ажилладаг d33 чиглэлд материалыг шууд дайран өнгөрөх механик деформацийн 90%-иас дээш хувийг чиглүүлдэг. Мөн хажуу чиглэлд холбох үзэгдэл маш бага тохиолддог. Нарийн хурдатгагч эсвэл гидрофон гэж нэрлэгддэг ус доорх микрофоноос шаардлагатай цэвэр тэнхлэгийн дохио шаарддаг хэрэглээнд эдгээр цагиргийн хэлбэртэй мэдрэгчид хамгийн ихэвчлэн ашигладаг квадрат элементийн оронд ойролцоогоор 40% илүү сайн шугаман дохиог хадгалдаг.

Пьезо PZT керамик цагиргууд дахь стресийн тархалт ба нэмэгдсэн үр дүнтэй холболтын хүчин зүйл ( k ₚ) пьезо PZT керамик цагиргууд

Хөвөөний стресс цагирганы ирмэгийн тойронд жигд тархах үед эдгээр хүчнүүд хоорондоо устгахгүйгээр бүх 360 градусын турш тасралтгүй деформацийг бий болгоход тусалдаг. Энэ тэнцвэртэй загвар нь хавтгайн холболтын коеффициент (k_p)-ийг 0.72-оос 0.78 хүртэлх хязгаарт хүргэх бөгөөд энэ нь ердийн диск датчиктай харьцуулахад ойролцоогоор 20 хувийн сайжрал юм. Үүний практик утга юу вэ гэвэл, ижил түвшинд идэвхжих үед датчикууд эзлэхүүн тутамд ойролцоогоор 3.2 дахин илүү цэнэг үүсгэдэг тул нийтдээ илүү мэдрэг болдог. Цааш нэг чухал давуу тал нь цагирган хэлбэр харилцан эсрэг талууд дээрх температур өөрчлөлтийг яаж харьцуулан зохицуулахад оршино. Эдгээр эсрэг чиглэлтэй дулааны томрох загварууд нь халуун хэлбэлзэлтээс үүдэлтэй деполяризацийг эсэргүүцдэг тул датчик ажиллагааны явцад температур хэлбэлзэх үед ч тогтвортой, найдвартай байдлыг хадгалдаг.

Материалын болон бүтцийн тэсвэрт чанар: Тогтвортой байдал, нарийвчлал ба урт хугацааны найдвартай ажиллагаа

Лантан модификцичилсэн PZT (PLZT) цагиргуудын дулааны хуучралтын эсэргүүцэл

Лантан нэмсэн PLZT цагиргууд 150 градус Цельсийн температурт дараалан 1000 цаг байрших үед ч гэсэн пьезо-цахилгаан шинж чанарынхээ 95%-иас дээш хэсгийг хадгалдаг. Ийм тэсвэрт чанар нь авто үйлдвэрлэлийн салбарт явуулсан эгзэгтэй тестүүдээр баталгаажсан. Үйлдвэрлэгчид эдгээр материалд лантан нэмэх замаар домены хана дээр гарч буй асуудлыг засаж, кристаллын бүтцэд жижиг зайг оруулан өгдөг бөгөөд энэ нь дулааны стрессыг шингээн авдаг. Эдгээр өөрчлөлтүүд нь материалын дотор жижигхэн трещинууд үүсэх, тархахаас сэргийлдэг. Ийм өвөрмөц шинж чанаруудын хослолын талаар PLZT элементүүд нь халах үед ердийн PZT материалууд нарийвчлал алддаг хөдөлгүүрийн хэсэг болон өргөн хэрэглээний үйлдвэрийн орчинд маш сайн ажилладаг.

Өндөр d -коэффициентийг механик чанарын фактортой ( Q ) зөөлөн PZT ангилалд тэнцвэржүүлэх

Зөөлөн PZT найрлага нь 650 pC/N-ээс дээш d33 утгатай болох бөгөөд энэ нь ердийн PZT-ийнхээс бараг хоёр дахин их байдаг. Гэсэн хэдий ч үйлчилгээний хугацааг уртасгахын тулд Q-ийг сайн удирдах шаардлагатай. Хэрэв шүргэлтийг зохистой удирдахгүй бол эдгээр өндөр d материалынууд давтах үйл ажиллагааны үед илүүдэл халуун үүсгэж, материал хурдан ядарч муудахад хүргэдэг. Хамгийн сайн үзүүлэлттэй зөөлөн хувилбарууд нь төмрийн ион зэрэг хүлээн авагч легирование нэмэлт ашиглан биетийн хэлбэршилд энергийг шингээдэг, гэхдээ ашигтай деформацийн чадвараа ихэд алдахгүй байх байдлыг бий болгодог. Энэхүү боловсруулалтын дараа ойролцоогоор 85% харьцангуй хэлбэршил хадгалагдаж үлддэг. Ийм тохируулга нь эдгээр материалыг индустрийн хурдны хэмжигчидэд нэг тэрбум төмөр циклээс дээш ажиллах боломжийг олгох бөгөөд энэ нь ердийн PZT-ийнхээс ойролцоогоор 100 дахин илүү бөгөөд мэдрэг хариу урвалын онцлогийг хадгалж чаддаг.

Загварын интеграц: Бодит ерөнхий датчиках системд хурлын далайц, гаралт болон дохионы бүтэн байдлыг оновчтой болгох

Пьезо PZT керамик цагиргуудыг ажиллагааны сенсоруудад суулгах талаар ярих үед инженерүүд зэрэгцээ гурван гол зүйлийг зөв тохируулах шаардлагатай: холбоотой далайцын давтамжуудыг зөв тохируулах, электродын байршлыг тодорхойлох, мөн цахилгаан соронзон саатал болон температурын өөрчлөлтөнд тэсвэртэй байхыг хангах. Эхлээд, дотор ба гадна тийш диаметрүүдтэй хамт ханын зузааныг тохируулах нь өөр өөр хэрэглээнд тааруулахад маш их чухал. Харьцангуй нимгэн хана нь 40-200 кГц мужид хэрэглэгддэг ультра авианы хэрэглээнд илүү тохиромжтой өндөр далайцын давтамж үүсгэдэг. Гэтэл доогуур давтамжит хэлбэлзэлд зориулсан юм бол илүү зузаан хана нь хямралт үүсгэхээс сэргийлдэг тул илүү тохиромжтой. Дараагийн чухал хүчин зүйл бол электроодууд юм. Гадаргуугийн хэсэгчилсэн бүрхэвчтэй харьцуулахад металлын бүрхэвчийг эргэн тойрон суулгасан нь илүү сайн хүрээлэлт үүсгэж, цэнэгийн гарцыг одоогийн трансдьюсерийн загварчлагчдын ихэнхийн зөвлөсний дагуу 15%-30% хүртэл нэмэгдүүлдэг. Дараа нь сигналыг цэвэр байлгах асуудалд орохдоо, газардуулсан Фарадейн кабин болон ялгаатай сигналын боловсруулалт нь ялангуяа цахилгааны саатал ихтэй моторын удирдлагын блок зэрэг системд хэрэглэгдэх үед түгшүүртэй нийтлэг горимын EMI саатлыг зайлуулахад маш сайн үр дүнтэй. Эцэст нь, PZT материалтай термийн өргөлтийн коэффициент (CTE) -тэй нийцсэн эпоксидыг ашигласнаар -40°C-с +150°C хүртэлх хил хязгаарт температур хурдан өөрчлөгдөх үед гарах стрессыг бууруулж, даралтын трансдьюсер, хурдатгал хэмжигч болон урсгал хэмжих бусад төхөөрөмжүүдийн найдвартай байдлыг хугацааны турш тогтвортой байлгахад тусалдаг.