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如果您对超声陶瓷及其驱动电源很迷惑,强烈推荐您细读此文!

芯明天单层压电陶瓷(又常被称作超声陶瓷)内部仅含有一层压电陶瓷层,且内部无电极层,仅有外部表面的电极层,不像多层叠堆压电陶瓷,内部具有很多陶瓷层及电极层。在不破坏单层陶瓷对应正、负电极情况下,可进行切割使用。

结构如下图所示。

单层与多层压电陶瓷对比:

产品属性

单层压电陶瓷

多层压电

叠堆陶瓷

外观

驱动电压

约1kV/mm

60V/150V/200V

位移形变量

小,纳米量级大,微米量级

谐振频率

约100k~6.6MHz约10~1000kHz

静电容量

约1~10nF

约10nF~100μF

 

芯明天单层压电陶瓷外观及尺寸

外观

 尺寸

    

Disc/圆片

外径:4~185mm

厚度:0.2~20mm

     

Plate/方片

长或宽:1~127mm

厚度:0.2~25mm

     

Ring/环片

外径:4~185mm

厚度:0.2~20mm

内径:zui小3mm

壁厚:zui小2mm

      

Tube/管状

       外径:5mm~140mm

高度:1~60mm

内径:zui小1mm

 壁厚:zui小1mm

注:单层压电陶瓷的厚度与长、宽、外径及材料等有关;外形尺寸可定制。

 

芯明天单层压电陶瓷电极

芯明天单层压电陶瓷通常为丝网印刷银电极,厚度约几微米至几十微米,也可定制镍、金、镀银等电极。单层压电陶瓷片的标准电极为上下面,一面为正极、一面为负极;管状单层陶瓷的标准电极为内外壁电极,内壁为正极、外壁为负极。

除标准电极外,我们也可提供特殊电极,如电极延覆WAE(Wraped Around Electrode),可将正负电极引至同一侧,下图所示为标准可选的WAE电极形式,一般从另一面延覆来的电极为负极,另一区域为正极,如下图标记。

单层压电陶瓷的耐压值

 

单层压电陶瓷所能承受的电压值与厚度有关,一般1mm厚陶瓷zui大可承受1kV的电压,2mm厚陶瓷zui大可承受2kV电压,以此类推。

Tube管状陶瓷的耐压值与壁厚有关,一般1mm壁厚陶瓷zui大可承受1kV的电压,2mm厚陶瓷zui大可承受2kV电压,以此类推。

 

芯明天单层压电陶瓷材料基本参数及典型应用

材料类型

材料型号

压电常数

d33

[10-12 C/N]

机械品质

因数
Qm

居里温度

Tc
[°C]

硬材料

NCE40

320

700

318

硬材料

NCE41

310

1400

284

软材料

NCE51
NCE51F

443

80

360

软材料

NCE53

360

80

340

软材料

NCE55

670

70

159

软材料

NCE56

580

80

242

硬材料

NCE81

255

1400

307

 

材料典型应用:

NCE40:超声清洗、水下超声、医疗应用-美容仪器、压电马达驱动、谐振模式应用。

NCE41:超声清洗、超声雾化器、水下超声、医疗应用、压电马达驱动、谐振模式应用、点火挤压式。

NCE80:超声焊接、高频声呐、高频医疗应用。

NCE81:超声焊接、超声解胶剂、高频及高功率声呐、高频及高功率医疗应用。

NCE51:低功率及低频超声/声传感器、力及超声拾音器、超声传感器/接收器系统、传感器、加速度计、水听器、流量计、无损检测NDT、促动器(单层陶瓷及单层陶瓷的叠堆)。

NCE53:剪切加速度计、陀螺仪、一般所有要求高温及时间稳定性的应用。

NCE56:医疗成像、水诊器、NDT无损检测、促动器、一般所有既要求高介电常数又要求高压常数的应用。

NCE55:医疗成像、水诊器、NDT无损检测、促动器、喷墨打印机、宽带传感器阵列和成像系统、要求高介电常数及高压电常数、温度限制的应用。

 

单层压电陶瓷的谐振频率

1、片状单层陶瓷谐振频率

片状单陶瓷本身的谐振频率与陶瓷的厚度有关,两者大致关系如下图所示。

压电陶瓷装入设备中后,陶瓷的谐振频率将降低,具体参数需要进行结构分析。

 2、Tube管状陶瓷谐振频率

Tube管状压电陶瓷至少具有两个谐振频率,即轴向、径向谐振频率,它的径向谐振频率与外径、壁厚等有关。

Tube管状陶瓷轴向(即高度方向)的谐振频率可通过以下公式进行估算:

其中:N:厚度方向频率常数, 取决于材料,详见材料参数工作表,OD:外径[mm],ID:内径[mm],此计算值为估计值。

例如:N40 Tube OD39-ID32-TH13,计算得它的轴向谐振频率约为550kHz。

 

 

层压电陶瓷的位移估算

利用逆压电效应,即对压电陶瓷施加电压,压电陶瓷受电场影响将产生形变位移。

1、位移的粗略估计

单层压电陶瓷一般在zui大耐压值下的位移约为位移方向长度的1‰,例如1mm厚陶瓷片,它的zui大耐压值为1000V,在1000V下,它在厚度方向产生的zui大位移为1μm。

2、片状单层压电陶瓷的位移估算:

其中:U:施加电压[V]、H:陶瓷高度[m]、E:电场强度[V/m]、d:压电系数[m/V]、 W:陶瓷宽度[m]。

由以上公式可知:片状单层压电陶瓷的位移只与材料及所给电压有关,而对于同一种材料,不同高度的陶瓷片,只要施加相同电压(切记:电压不可超出所能承受的zui大电压),所产生的位移基本相同。

其他形状也可根据此计算公式进行估算位移情况。

3、单层陶瓷工作在谐振频率点时产生的振动幅度zui大。

 

 

作为传感或发电时,输出电压估算

单层压电陶瓷作为传感器时是利用它的正压电效应,即通过施加外力使之产生形变从而输出电荷。

输出电压理论估算公式:

其中:d33:为材料常数,F:为力,h:为高度,r:为圆片的半径。

例如: 圆片NCE41-Disc-OD20-TH5,NCE41材料系数为25.5*1013,当施加12500N力时,理论估算所产生的电压为5000V。

单层压电陶瓷用来发电产生的功率,在谐振频率下,可达40-50W/cm2,芯明天单层压电陶瓷在谐振频率下产生功率zui高的材料为NCE81材料。

 

单层陶瓷的应用案例展示

单层陶瓷的型号选择

单层压电陶瓷产品一般以批量定制为主,所以我们不将单层压电陶瓷元件作为标准品提供。但也会有部分型号的库存,建议您从库存中选取型号进行性能测试,且供货时间短,成本易控制。

请与销售工程师获取库存表。

 

单层陶瓷驱动电源

芯明天公司不仅可提供单层压电陶瓷,且可提供单层压电陶瓷驱动电源,驱动频率可小至几赫兹,大至上兆赫兹的驱动电源,基本参数如下:

型号

zui大输出

电压V

zui大输出

功率W

带宽

(-3dB)

E01/00

120V

20W

0~50KHZ

50V

20W

0~100KHZ

40V

20W

0~150KHZ

2031

300V

18W

0~500kHz

4011

160V

80W

0~1MHz

2021

170V

42.5W

0~1.5MHz

1100

35V

17.5W

0~12MHz

1200

35V

17.5W

0~24MHz

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