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動(dòng)態(tài)操作壓電陶瓷,您需要了解這幾點(diǎn)!

更新時(shí)間: 2018-05-08

感謝關(guān)注芯明天科技——壓電納米定位技術(shù)行業(yè)!

壓電陶瓷由于其壓電特性、機(jī)電耦合系數(shù)高等特點(diǎn)在科研、工業(yè)、國防等精密定位控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,其中壓電陶瓷動(dòng)態(tài)操作應(yīng)用占比較大,比如減震抑震、精密加工、精密檢測(cè)等等,需要?jiǎng)討B(tài)應(yīng)用的客戶在咨詢壓電陶瓷的時(shí)候往往希望可以獲得的使用頻率越大越好,那么壓電陶瓷到底可以實(shí)現(xiàn)多大的頻率呢?

  

因?yàn)橛绊戭l率的因素有很多,且應(yīng)用方式不盡相同,我們只提供壓電陶瓷在空載情況下的諧振頻率作為參考。而這一諧振頻率也就是壓電陶瓷的固有頻率并不能作為使用頻率,它所能體現(xiàn)的是壓電陶瓷的響應(yīng)時(shí)間。

針對(duì)具體的應(yīng)用,壓電陶瓷的使用頻率該如何評(píng)估呢?我們一起來了解一下:

功  率  限  制

為了延長壓電陶瓷的使用壽命,我們建議客戶在安全功率范圍內(nèi)使用壓電陶瓷。

壓電陶瓷在動(dòng)態(tài)操作下會(huì)因?yàn)樯炜s過程內(nèi)部的摩擦而生熱,過熱的溫度會(huì)影響壓電陶瓷的性能,甚至導(dǎo)致壓電陶瓷的損壞。

  系統(tǒng)諧振頻率系統(tǒng)諧振頻率

壓電陶瓷在加一定負(fù)載之后,系統(tǒng)的諧振頻率會(huì)隨之降低,所以確定了外部機(jī)械負(fù)載之后需要計(jì)算系統(tǒng)的諧振頻率。系統(tǒng)諧振頻率通常采用計(jì)算公式:

動(dòng)  態(tài)  力

壓電陶瓷在動(dòng)態(tài)操作的過程中,由于壓電陶瓷的快速伸縮,會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)力,動(dòng)態(tài)力過大會(huì)導(dǎo)致壓電陶瓷在伸縮過程中受到拉力而影響使用壽命,甚至造成壓電陶瓷直接損壞。

因此動(dòng)態(tài)操作我們推薦使用加載有一定預(yù)緊力的封裝型壓電陶瓷,但是預(yù)緊力是有限的,通常為壓電陶瓷zui大負(fù)載的十分之一左右,更高頻率動(dòng)態(tài)應(yīng)用,我們接受特殊定制更大預(yù)緊力的壓電陶瓷,原則上動(dòng)態(tài)力不要超過預(yù)緊力,以保證壓電陶瓷不受動(dòng)態(tài)力引起的過大拉力的影響,使壓電陶瓷的可靠性及使用壽命得到保障。

 尤其是外部加有負(fù)載的情況下,動(dòng)態(tài)力會(huì)隨著負(fù)載增大大幅增加,更需要提前計(jì)算系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)力,以確保壓電陶瓷在安全動(dòng)態(tài)力范圍內(nèi)工作。動(dòng)態(tài)力的計(jì)算公式如下:

芯明天封裝型壓電陶瓷,例如:系統(tǒng)有效質(zhì)量為1kg,工作頻率1000Hz,位移4μm,動(dòng)態(tài)力約等于±80N。

電  流  限  制

壓電陶瓷屬于容性負(fù)載,需要足夠大的電流才能實(shí)現(xiàn)所需頻率響應(yīng)。

對(duì)于一些尺寸比較大的壓電陶瓷來說,靜電容量相對(duì)較大,想要讓其實(shí)現(xiàn)高頻振動(dòng),則需要足夠大供電電流的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源,芯明天推出的E52壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源,峰值電流可達(dá)17A。

  為什么單層壓電陶瓷可以在諧振點(diǎn)上高頻振動(dòng)呢?

我們都知道,在諧振點(diǎn)也就是固有頻率點(diǎn)上工作,壓電陶瓷可以獲得更大的位移。

單層壓電陶瓷通常使用的是其諧振頻率,目前芯明天可以提供的單層壓電陶瓷片zui大的諧振頻率可達(dá)8MHz,為什么單層壓電陶瓷可以在諧振點(diǎn)高頻振動(dòng)而疊堆壓電陶瓷卻不可以呢? 

 

◎ 單層壓電陶瓷為一體式結(jié)構(gòu)壓電陶瓷,高頻振動(dòng)對(duì)于陶瓷結(jié)構(gòu)本身不會(huì)造成損壞;

 相對(duì)來說,單層壓電陶瓷靜電容量較小;

 疊堆壓電陶瓷是通過100um以內(nèi)的壓電陶瓷層與電極層交替粘接共燒而成,諧振點(diǎn)長期振蕩會(huì)引起陶瓷層的斷裂損壞;

 疊堆壓電陶瓷靜電容量較大,壓電陶瓷通過充放電來完成周期循環(huán),用于產(chǎn)生力或者位移,無機(jī)械能存儲(chǔ),造成很大一部分能量的損耗,變成了熱量;

 

單層壓電陶瓷可以選擇軟材料或硬材料來制作所需的壓電陶瓷元件,其在共振點(diǎn)上的位移會(huì)隨著材料的選擇而大不相同。

壓電陶瓷軟材料,具有非常低的質(zhì)量因子、非常高的機(jī)械阻尼,在諧振點(diǎn)位移放大小于10倍以內(nèi),疊堆壓電陶瓷主要采用的是壓電陶瓷軟材料,而壓電陶瓷硬材料,具有低的機(jī)械阻尼,質(zhì)量因子大于1000,振蕩位移要比軟材料的壓電陶瓷大很多。

 

另外,選擇硬材料作為超聲應(yīng)用的單層壓電陶瓷具有很強(qiáng)的機(jī)械存儲(chǔ)能力,非常低的電-機(jī)能量轉(zhuǎn)換,機(jī)械振蕩能量大幅度疊加形成更大的振蕩幅值。然而,采用軟材料制成的壓電陶瓷在諧振點(diǎn),積累振蕩能量的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于超聲陶瓷。

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