Invloed van ingangsfrequentie
Bij lage ingangsfrequenties zijn de relaties tussen een kracht uitgeoefend op een piëzo-elektrisch keramisch element en het elektrische veld of de lading geproduceerd door het piëzo-element:
E = -(g33T)
Q = -(d33F)
waarbij E: elektrisch veld
g33: piëzo-elektrische spanningsconstante
T: spanning op keramisch element
Vraag: gegenereerde lading
d33: piëzo-elektrische ladingsconstante
F: toegepaste kracht
De relaties tussen een aangelegde spanning of elektrisch veld en de overeenkomstige toename of afname van de dikte, lengte of breedte van een piëzo-elektrisch keramisch element zijn:
Δh = d33V
S = d33E
Δl / l = d31E
Δw / w = d31E
waarbij l: initiële lengte van keramisch element
w: initiële breedte van keramisch element
Δh: verandering in hoogte (dikte) van keramisch element
Δl: verandering in lengte van keramisch element
Δw: verandering in breedte van keramisch element
d: piëzo-elektrische ladingsconstante
V: toegepaste spanning
S: rek (verandering in hoogte / oorspronkelijke hoogte van element)
E: elektrisch veld
Een piëzo-elektrisch keramisch element dat wordt blootgesteld aan een wisselend elektrisch veld, verandert cyclisch van dimensie, met de frequentie van het veld. De frequentie waarmee het element het gemakkelijkst trilt als reactie op de elektrische invoer, en het meest efficiënt de ingevoerde elektrische energie omzet in mechanische energie - de resonantiefrequentie - wordt bepaald door de samenstelling van het keramische materiaal en door de vorm en het volume van het element.
Naarmate de frequentie van fietsen wordt verhoogd, benaderen de oscillaties van het element eerst een frequentie waarbij de impedantie minimaal is (maximale toegang). Deze frequentie is ook de resonantiefrequentie. Naarmate de frequentie verder wordt verhoogd, neemt de impedantie toe tot een maximum (minimale toegang), wat ook de anti-resonantiefrequentie is. Deze frequenties worden experimenteel bepaald - om te zien hoe, zie Resonantiefrequentie bepalen.
De waarden voor minimale impedantiefrequentie en maximale impedantiefrequentie kunnen worden gebruikt om de elektromechanische koppelfactor k te berekenen, een indicator van de effectiviteit waarmee een piëzo-elektrisch materiaal elektrische energie omzet in mechanische energie of mechanische energie in elektrische energie. k hangt af van de trillingswijze en de vorm van het keramische element. Diëlektrische verliezen en mechanische verliezen beïnvloeden ook de efficiëntie van energieconversie. Diëlektrische verliezen zijn meestal groter dan mechanische verliezen.
Stabiliteit - De meeste eigenschappen van een piëzo-elektrisch keramisch element eroderen geleidelijk, in een logaritmische relatie met de tijd na polarisatie. De exacte verouderingssnelheid hangt af van de samenstelling van het keramische element en het fabricageproces dat wordt gebruikt om het te bereiden. Verkeerd gebruik van het element door overschrijding van de elektrische, mechanische of thermische beperkingen kan dit inherente proces versnellen.
Elektrische beperkingen - Blootstelling aan een sterk elektrisch veld, waarvan de polariteit tegengesteld is aan die van het polariserende veld, zal een piëzo-elektrisch materiaal depolariseren. De mate van depolarisatie hangt af van de kwaliteit van het materiaal, de blootstellingstijd, de temperatuur en andere factoren, maar velden van 200-500 V/mm of meer hebben typisch een significant depolariserend effect. Een wisselstroom zal een depolariserend effect hebben tijdens elke halve cyclus waarin de polariteit tegengesteld is aan die van het polariserende veld.
Mechanische beperkingen Mechanische spanning die voldoende is om de oriëntatie van de domeinen in een piëzo-elektrisch materiaal te verstoren, kan de uitlijning van de dipolen vernietigen. Net als de gevoeligheid voor elektrische depolarisatie, verschilt het vermogen om mechanische spanning te weerstaan tussen de verschillende soorten en merken piëzo-elektrische materialen.
Thermische beperkingen - Als een piëzo-elektrisch keramisch materiaal wordt verwarmd tot het Curie-punt, zullen de domeinen ontregeld raken en zal het materiaal gedepolariseerd worden. De aanbevolen maximale bedrijfstemperatuur voor keramiek ligt gewoonlijk ongeveer halverwege tussen °C en het Curie-punt. Binnen het aanbevolen bedrijfstemperatuurbereik zijn temperatuurgerelateerde veranderingen in de oriëntatie van de domeinen omkeerbaar. Aan de andere kant kunnen deze veranderingen ladingsverplaatsingen en elektrische velden veroorzaken. Ook kunnen plotselinge temperatuurschommelingen relatief hoge spanningen genereren, die het keramische element kunnen depolariseren. In het systeem kan een condensator worden ingebouwd om de overtollige elektrische energie op te vangen.
Voor een bepaald keramisch materiaal zijn de pyro-elektrische ladingsconstante - de verandering in polariteit voor een gegeven verandering in temperatuur - en de pyro-elektrische veldsterkteconstante - de verandering in elektrisch veld voor een gegeven verandering in temperatuur - indicatoren voor de kwetsbaarheid van het materiaal voor pyro-elektrische effecten. Een hoge piëzo-elektrische ladingsconstante: pyro-elektrische ladingsconstante verhouding of piëzo-elektrische spanningsconstante: pyro-elektrische veldsterkte constante verhouding geeft een goede weerstand tegen pyro-elektrische effecten aan.
