DuraAct贴片换能器技术

DuraAct贴片换能器的有源层构成一块压电板。这些压电板根据一种已获专利的方法被嵌入纤维增强塑料(GRP)中,然后被粘合起来形成一个复合体。层压过程通过注入法在真空中的压热器中完成,从而形成完全无泡的高质量层合板。 由于材料具有不同的热膨胀系数,因此选用压热器的固化温度曲线来得出压电陶瓷板的规定内在预载。GRP聚合物涂层还可用作电气绝缘和机械预载。这项专利技术能实现坚固耐用又可弯曲的换能器元件的大批量生产。

设计与生产

DuraAct贴片换能器中的有源层由一块或多块具有金属化表面以实现电气接触的压电陶瓷板组成。这些压电陶瓷板的厚度通常为200至500微米。我们采用专利工艺将其嵌入到纤维增强塑料(GRP)中并将其粘合起来而形成一种复合材料。采用注入工艺在真空下的压热器中执行粘合工艺,以生产完全无气泡的高质量层压板。

由于材料具有不同的热膨胀系数,因此选用压热器的固化温度曲线来得出压电陶瓷板的规定机械预载。GRP聚合物涂层还可用作电气绝缘。这项专利技术能实现坚固耐用又可弯曲的换能器元件的大批量生产。

DuraAct贴片换能器是不带有任何运动部件的固体促动器。这意味着其磨损和失效的可能性极低。根据具体应用,通过两个可焊接、胶接或夹接导线的触点进行电气连接。

DuraAct贴片换能器如何工作?

全瓷DuraAct贴片换能器中使用的压电陶瓷板在结构上类似于电容器。陶瓷用作构成电极的陶瓷金属表面之间的电介质。如果施加电压,则会产生电场,且电场线穿过垂直于压电板的陶瓷。从而导致陶瓷在与电场线成90°的位置产生交叉收缩,使得促动器沿平面均匀压缩。这一行为称为横向压电(d31)效应。

在DuraAct Power贴片换能器中,多层压电元件利用纵向或d33效应。该位移出现在平行于电场E和压电陶瓷促动器的极化方向P。纵向位移的压电电荷系数d33远高于横向位移的系数,这意味着可能的位移远大于全陶瓷换能器的位移。

可以使用DuraAct Shear贴片换能器转换声表面波的发生。贴片换能器的剪切运动是通过在极化P方向上正交施加电场E而产生的。剪切变形系数d15通常是压电系数中最大的。通过标称电压进行控制时,压电陶瓷可实现高达2000皮米/伏的d15 (GS)值。为防止垂直方向极化的反转,容许的控制场强是受限的。

DuraAct贴片换能器的电场强度决定着陶瓷的位移,因此,可以轻松控制各模块。通过简单粘合,即可将该变形有效地传递至结构元件。该力通过推力在整个表面上传递,而非像传统促动器那样在离散点上传递。因此无需过多的力传递点。相反,结构变形通过换能器转换为电荷,因此可将该元件作为传感器或功率发生器使用。通过隔离的多层接触,可实现传感器与促动器功能的划分。

对电场变化或变形的响应速度极快。这允许产生千赫兹级的振荡,还允许测量振荡值。根据所使用的有源压电陶瓷元件及其尺寸,不同的促动器生成不同的控制电压和收缩值。变形和控制电压之间为非线性关系。

DuraAct贴片换能器性能曲线图

压电陶瓷换能器的促动器特性主要通过两个参数进行表征:阻滞力FB和自由位移S0。如果通过电压U控制无阻碍(自由)促动器,则其达到最大位移S0。将达到最大位移的促动器推回其原始长度所需的力称为阻滞力FBI

如果两个参数均绘制在曲线图上并用一条直线连接起来,则结果即为促动器的性能曲线图。这条连接线称为负载线。可以从图中读取外力与位移的比率。在大多数应用中,促动器能够在任何弹性结构下工作,例如当弹簧变形或压电板弯曲时。例如,如果促动器导致弹簧变形,则弹簧的特性曲线绘制在性能曲线图上,且刚度为cF。负载线与特征曲线的交点表示运行点。当运行点位于负载线的中间时,执行器的工作效率最高。

弯曲元促动器的参数

DuraAct促动器通常被粘合在衬底上,其在整个表面上传递收缩,而非几个连接点。在这种配置中,该DuraAct/衬底组合充当一个弯曲元促动器。弯曲元促动器可实现快速、高精度和可重复的变形,被广泛用于打印机、阀和纺织工业等多种应用。 DuraAct贴片换能器基于横向压电效应,施加电场时将产生收缩。弯曲元折曲并施加一个正交力,如图所示。 自由、未闭锁弯曲元的自由变形为W0。将变形减小至0所需的力称为弯曲元闭锁力FBW,其明显小于促动器闭锁力。穿过这两点的曲线为衬底厚度和弹性的弯曲元特性曲线 。 这些曲线反映实际的变形和力,通过由不同材料制成的50毫米衬底样本和P-876.A15 DuraAct贴片换能器测量。 除了DuraAct的特性曲线,弯曲元特性是特定应用中对促动器性能进行有效估算的基础,因此PI在所有数据表中都加入了这些曲线。

DuraAct贴片换能器的电源要求

为估算促动器运行所需的功率要求,换能器的电容起着重要的作用。DuraAct贴片换能器的电容值通常在毫微法拉范围内并分别在数据表中提供。

在此处,电容C取决于所使用压电陶瓷的类型、厚度和面积。为估算平均电气输出Pm,控制频率以及换能器的电容和电压摆幅是必需的。
 

Pm = C · f · Uh2

f: 频率,Uh:电压摆幅
 

可以通过将平均电气输出乘以pi(π)来计算最大功率要求Pmax
 

Pmax = Pm ・ π

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手册

DuraAct压电贴片换能器

灵活、高效、耐用
版本/日期
BRO07E R1 2019-06
版本/日期
BRO07D R1 2019-06
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