Пособие пьезоисполнительные устройства. А. А. Бобцов, В. И. Бойков, С. В. Быстров, В. В. Григорьев, П. В. Карев исполнительные устройства
 Скачать 3.72 Mb.
|
|
СЕГНЕТОЖЕСТКИЕ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Таблица А2 – Основные параметры материалов Обозначен ие Ед. Измерения ЦТС-23 ЦТБ С-7 ЦТБ С-8 ЦТС- 43 ЦТС- 47 ЦТС- 42 ЦТС Ст-3 ЦТС- 48 Tk °С 280 210 290 280 270 275 280 210 ε т 33/ε0 - 1000 1620 1400 1400 1450 1300 1400 2200 ε т 11/ε0 - 1200 2250 - - - - - - tg δ, не более % 0,7 1 0,4 0,6 0,6 0,55 0,55 0,8 tg δс % 3 3,5 1 1,7 - 2 - 2 Qm - 300 350 1120 1100 900 850 800 450 v E 1 ×10 3 м/с 3,3 3,1 3,2 3,2 - 3,2 3,3 3,2 σр - 0,33 0,28 - 0,33 - - 0,35 0,37 kp - 0,5 0,56 0,56 0,52 0,56 0,54 0,55 0,58 k15 - 0,6 0,66 - - - 0,68 - - k33 - 0,65 0,68 0,68 0,64 - 0,69 - 0,65 d31 ×10 -12 Кл/Н -120 -140 -140 -125 -135 -130 -140 180 d33 ×10 -12 Кл/Н 240 330 315 280 290 280 275 420 d15 ×10 -12 Кл/Н 365 575 - - - - - - g31 ×10 3 м/с -13,6 -9,8 -11,3 -10,1 -10,3 -11,3 -11,3 9,3 g33 ×10 3 м/с 27,1 23 25,4 22,6 22 24,3 22,2 21,6 (ООЧ)р % 2,5 - - - - 0,4 - - (ООЧ)сд % 2,7 - - - - - - - (ООЧ)сж % 4,4 - - - - - - - Tраб °С 150 150 200 200 - 185 150 120 ρv При 100 °С, ×10 8 Ом·м 5 5 5 5 - - 5 5 ρ ×10 3 кг/м 3 7,6 7,3 7,6 7,5 7,7 7,5 7,5 7,5 100 ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Таблица А3 – Основные параметры материалов Обозначение Ед. ТНаВ -1 ТНаВ- 1м ТНВ- 1 ЦТС- 26 ЦТС- 26м ЦТС- 21 Изм. ТНбВ- 1 ТСВС-2 Tk °С 670 630 920 900 350 350 400 420 ε т 33/ε0 ** - 150 130 100 120 1700 1700 500 1800±1 50 ε т 11/ε0 - - - - - - - 540 - tgδ, не более ** % 2,5 0,8 0,8 0,2 2,0 2.0 1,8 0,30 Qm - 4000 - - - 80 80 150 28 ± 5 v E 1 10 3 м/с - - - - 2,9 2,9 3,70 3,06 ± 0,06 V D t - - - - 415 - - - - σр - 0,20 0,20 0,20 - 0,36 0,38 0,32 0,31 ± 0,01 kp - - - - - 0,60 0,60 0,30 0,50 k15 - - - - - - - 0,35 0,66 k33 - - - - - 0,68 0,68 0,42 0,60 kt - - - - ³ 0,18 - - - - d31 10 -12 Кл/Н - - - - -170 -160 -40 135 d33 ** 10 -12 Кл/Н 14 22 7 ³ 15 350 340 100 340 d15 10 -12 Кл/Н - - - - - - 120 500 g31 10 - 3 В*м/Н - - - - -11,3 -10,6 -9,0 - g33 ** 10 - 3 В*м/Н 10,6 19,1 7,9 14,1 23,3 22,6 22,6 - (ООЧ)р % - - - - - - 1,5 - (ООЧ)сд % - - - - - - 1,3 - (ООЧ)сж % - - - - - - 2,1 - Tраб * °С 500 400 700 750 250 250 300 300 ООd33 % 20 10 20 - 0-20 - 100 - При 100 °С, 10 8 , Ом м 10 10 10 1 1 1 1 1 ρv При T раб , 10 4 , Ом м 1 1 0,01 0,01 - - 10 - ρ 10 3 кг/м 3 6,8 6,6 7,2 8,0 7,6 7,6 7,6 7,4 101 Приложение Б ПАРАМЕТРЫ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ФИРМЫ American Piezoceramic (АРС) International Ltd, (США) Таблица Б.1– Характеристики пьезокерамики APC Материал АРС АРС АРС АРС АРС АРС АРС АРС АРС АРС Параметр 840 841 850 851 852 855 856 857 858 880 e33 T /e0 1250 1380 1750 2200 1900 3250 4000 4100 6000 1000 e11 T /e0 - 1490 - 2200 - - - - - - tgd, % (1 В/м) 0,40 0,35 1,60 1,50 2,50 2,00 1,70 2,70 3,00 0,35 tgd, % (400 В/м) - 2,0 - - - - - - - - Kp 0,62 0,56 0,63 0,62 0,65 0,65 0,65 0,65 0,65 0,65 K31 0,35 0,32 0,36 0,37 0,35 0,39 0,37 0,38 0,37 0,30 K33 0,70 0,65 0,72 0,72 0,72 0,75 0,74 0,73 0,60 0,65 K15 0,68 0,65 - 0,68 - - - - - - Kl 0,50 0,48 - 0,49 - - - - - - -d 31 (10 -12 ), Кл/Н 125 109 175 185 190 270 260 295 280 95 d 33 (10 -12 ), Кл/Н 300 323 450 462 480 590 590 640 700 250 -g 31 (10 -3 ), В×м/Н 10,5 10,5 12,4 10,7 11,3 8,8 8,5 8,1 5,3 11 g 33 (10 -3 ), В×м/Н 26 22,7 26 21,7 28,5 19,5 18,5 17,6 - 25 N p , кГц×м 2005 2260 2030 2040 1980 2080 1970 2020 2010 2105 N l , кГц×м 2130 2070 1900 1900 _ 1930 - 1920 2000 2030 N p , кГц×м 1530 1710 1530 1460 - 1500 - 1480 - 1500 S 11 E (10 -12 ), м 2 / H 11,8 11,7 15,3 15,2 16,3 14,8 15,0 16,0 10,8 10,8 S 33 E (10 -12 ), м 2 / H 17,4 17,3 17,3 17,2 16,7 17,0 16,5 15,0 Q M P 500 1400 80 80 90 70 60 45 1000 T с , °С 340 285 360 235 300 195 150 170 145 325 r (10 3 ), кг/м 3 7,6 7,9 7,5 7,7 7,5 7,5 7,7 7,3 7,7 7,7 Примечание: пьезоэлектрические и упругие параметры определены в соответствие со стандартом IEC 483, при 20 ± 5 °С спустя 24 часа после поляризации. 102 Таблица Б2 – Области применения пьезокерамических материалов фирмы American Piezoceramic (АРС) International Ltd (США) Применение АРС АРС АРС АРС АРС АРС АРС АРС АРС 840 841 850 851 852 855 856 857 880 Акселерометры X X X Акустические сенсоры X X X Актюаторы X X X X Преобразователи для работы на воздух X Устройства сигнализации X X Звуковые устройства X X Автомобильная электроника X X X X Формирователи пучка X X X X X X X Системы дистанционного управления X X Зубная очистка X X X Зубная хирургия X X X Детекторы X X X X Электрические фильтры X X X Электроакустические преобразователи X Системы контроля эмиссии X X X Обнаружение дефектов X X X Расходомеры X X X X Распылители жидкости X X X Датчики силы X X X X Газовые воспламенители X X X Гироскопы X X X X X Мощные ультразвуковые X X X X Увлажнители X X X Струйные принтеры X X X X X X Микрофоны X X X X Детекторы движения X X X X Звукосниматели X X X X Гидроакустические применения X X Модуляторы речи X Датчики давления X X Датчики положения X X X X Ультразвуковая очистка и сварка X X X Пьезотрансформаторы X X X 103 Приложение В ПЬЕЗОКЕРАМИКА ФИРМЫ PI (Великобритания) Таблица В1 – Характеристики пьезокерамики фирмы PI Тип материала Параметр Обозн. Ед. Изм. PIC 151 PIC 255 PIC 155 Физические и диэлектрические свойства Плотность ρ 10 3 кг/м 3 7.80 7.80 7.80 Температура Кюри Tc 0 C 250 350 345 Диэлектрическая проницаемость: в направлении Поляризации Перпендикулярно ε T 33 /ε 0 ε ε 1 2400 1750 1450 1980 1650 1400 Тангенс угла диэлектрических потерь tanδ 20 20 20 Электромеханические свойства Коэффициенты связи k p 0.62 0.62 0.62 Коэффициент жесткости k t 1 0.53 0.47 0.48 k31 0.38 0.35 0.35 k33 0.69 0.69 0.69 k15 0.66 Пьезоэлектрические модули d31 10 –12 Кл/Н –210 –180 –165 d33 500 400 360 d15 550 Постоянные пьезоэлектрического Напряжения g31 g33 10 – 12 B*м/Н –11.5 –11.3 –12.9 22 25 27 Механико-акустические свойства Частотные постоянные N p Гц*м 1950 2000 1960 N 1 1500 1420 1500 N3 1750 1780 N t 1950 2000 1990 Упругая податливость S E 11 10 –12 м 2 /Н 15.0 16.1 15.6 S E 33 19.0 20.7 19.7 Модуль Юнга С D 33 10 10 H/м 2 10.0 11.1 Коэффициент демпфирования Q m 1 100 80 80 Температурная стабильность Температурный коэффициент ε 33 ТК ε 33 10 –3 /К 6 4 6 Устойчивость против старения (относительное изменение параметров за декаду в %) Относительная диэлектрическая постоянная С % –1.0 –2.0 –1.0 –2.0 Коэффициент связи С К 104 Приложение Г РЯД СТАНДАРТНЫХ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТОВ ФИРМЫ «ЭЛПА» а – длина, b – ширина, h – высота, f a и f p – частоты антирезонанса и резонанса соответственно Таблица Г.1 – Пластины пьезокерамические a x b, mm h, mm fa; fp, кГц 3,0x4,0 0,4 fa 5225÷5775 4,0x4,0 0,2 fa 10450÷11550 4,0x4,0 0,4 fa 5225÷5775 4,0x6,0 0,4 fa 5225÷5775 4,0x4,0 0,9 fa 2479÷2730 5,0x5,0 0,34 - 5,0x5,0 0,37 - 5,0x5,0 0,4 - 5,0x4,0 0,2 fa 10450÷11550 5,5x2,1 0,13 fa 15200÷16800 5,5x2,1 0,14 fa 1853÷2047 5,0x10,0 0,4 fa 5225÷5775 5,0x12,0 0,4 fa 5225÷5775 7,0x6,0 0,4 fp 4750÷5250 7,5x1,5 0,5 - 9,0x9,0 0,37 - 10,0x1,0 0,8 fa 2558÷2942 10,0x1,3 0,37 - 10,0x2,0 0,5 - 10,0x2,0 0,8 fa 2558÷2942 10,0x6,0 0,8 fp 2375÷2625 10,0x13,0 0,7 fa 2613÷2887 10,0x35,0 0,9 fa 2470÷2730 11,0x9,0 0,4 fp 4750÷5250 11,0x11,0 1 - 12,0x5,0 0,4 fp 2375÷2625 105 Ø - диаметр, h – высота f a и f p – частоты антирезонанса и резонанса соответственно Таблица Г.2 – Диски пьезокерамические ø, мм h, мм fa; fp, кГц 5 0,4 fp 4750÷5250 5 1 - 6 0,12 fp 11400÷12600 6 0,4 fp 5225÷5775 7 0,8 - 7 0,8 fp 2375÷2625 8 0,24 fp 6650÷7350 8 0,8 fp 2375÷2625 8 2 fр 950÷1050 9 0,4 fa 5225÷5775 10 0,18 fa 11400÷12600 10 0,36 fp 5225÷5775 10 10 - 12 0,3 fp 5616÷6864 12 0,87 fa 2375÷2625 13 5 fp 332,5÷367,5 13 2,7 fp 332,5÷367,5 14 0,8 fp 2375÷2625 15 0,2 - 15 0,8 fp 2375÷2625 16 9,3 fp 85,5÷94,5 16 11,5 - 18 0,38 fp 4750÷5250 18 0,7 fp 1995÷2205 18 1,04 fp 1710÷1890 18 15 - 20 0,5 fp 3800÷4200 20 1,1 fp 1140÷1260 22 3,8 fр 450÷550 106 D – внешний диаметр, d – внутренний диаметр, H - высота Таблица Г.3 – Пьезокерамические элементы - кольца пьезокерамические D, мм d, мм H, мм 8 3 1 9,5 3,5 0,8 12 6 2 12 6 3 18 10 4 20 8 4 22 13 3,3 24 14 2,4 35 8 3 38 16 5 50 20 6 56 20 6 70 20 4 Материалы: ЦТС-19, ЦТС-26, ЦТС-43, ЦТСтБС-2, ЦТБС-7, ЦТБС-8 D – внешний диаметр, d – внутренний диаметр H – высота, t – толщина стенки Таблица Г.4 –Пьезокерамические элементы цилиндры и трубки пьезокерамические D, мм d, мм H, мм t, мм 6,35 4,90 6,35 0,73 10 8 10 1 15,5 11,20 18 2,15 19,05 14,81 19,05 2,12 19 16 20 1,5 22 16 20 3 30 26 20 2 38 34 25 2 107 44 38 30 3 44 40 30 2 55 39 25 8 68 60 25 4 85 77 25 4 9 8 32 0,5 10 8 32 1 10 8,5 32 0,75 12 11 32 0,5 Таблица Г.5 – Cферы, полусферы и мениски пьезокерамические Дизайн D, мм d, мм d1, мм S, мм h, мм 5 +0,6…-0,4 2 +0,4…-0,2 — 0,5 ± 0,1 — 7 +0,7…-0,5 3,5 +0,5…- 0,3 — 0,5 ± 0,1 — 20 +1,7…-1,5 9 +0,7…-0,5 — 1,5 ± 0,1 — 30 +1,7…-1,5 11 +0,7…-0,5 — 2,5 ± 0,2 — 80 +3,2…-3,0 20 +1,7…-0,5 — 5,0 ± 0,3 — 20 +1,7…-1,5 9 +0,6…-0,5 — 1,5 ± 0,15 — 30 +1,7…-1,5 11 ± 0,9 — 2,5 ± 0,15 — 50 +1,7…-1,5 19 ± 0,5 — 3,0 ± 0,2 — 7 +1,7…-0,5 3 +0,4…-0,2 4,5 +0,5…-0,3 0,5 ± 0,1 3 ± 0,2 15 +1,7…-1,5 6 +0,6…-0,2 9,5 +0,7…-0,5 1,2 ± 0,1 5 ± 0,3 40 +2,0…-1,5 10 +0,6…-0,2 16,2 +0,5…-0,3 3,0 ± 0,2 5 ± 0,3 50 +2,0…-1,5 10 +0,6…-0,2 16,2 +0,5…-0,3 3,0 ± 0,2 5 ± 0,3 Примечания: 1. Размеры, допуски, материалы основы и напыления уточняются при оформлении заказа; 2. По согласованию с заказчиком возможно изготовление сферических пьезоэлементов других размеров (D 5,0−100,0 мм); 3. Материал основы: ЦТС-19, ЦТС-26. 108 Таблица Г.6 – Мениски пьезокерамические Размеры R, мм S, мм 2,5±0,2 0,5 ± 0,1 3,5±0,25 0,5 ±0,1 7,5±0,5 1,2 ± 0,1 10,0±0,75 1,5 ± 0,1 15,0±0,75 2,5 ± 0,2 20,0±0,75 3,0 ± 0,2 25,0±0,75 3,0 ± 0,2 40±1,5 5,0 ± 0,3 50±2,0 7,5 ± 0,4 Материал основы: ЦТС-19, ЦТС-26. 109 Приложение Д СООТВЕТСТВИЕ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ РАЗЛИЧНЫХ ФИРМ Таблица Д1– Соответствие пьезокерамических материалов различных фирм Фирма Материал Valpey- Fisher Morgan Matroc Channel EDO Keramos Trans- Ducer Motorol a Staveley Sensors ЦТС PZT4 C5400 EC-64 K-270 LTZ-1 - EBL1 Navy Type I VP-A40 Navy Type II VP-A50 PZT-5A C55O 0 EC-65 K-350 LTZ-2 3195 EBL2 Navy Type II VP-A50H D - - - - - 3195H D - Navy Type III VP-A80 PZT-8 C5800 EC-69 K-278 - - EBL4 Navy Type VI VP-A55 PZT-5H C5700 EC-76 - LTZ- 2H 3203 EBL3 Navy Type VI VP-A55H D - - - - - 3203H D - Метаниобат Свинца VP-M18 K-81 LM1 VP-M38 - - EC-82 K-83 - - LM2 VP-M58 K-85 LM4 Navy Type I (стандарт ВМФ США) – пригоден для работы в статических и динамических условиях в сонарах, системах УЗ очистки и для других силовых применений. Материал обеспечивает большие амплитуды механических переме- щений при низких механических и диэлектрических потерях. Применения вклю- чают STM, нано - позиционеры и медицинскую терапию. Navy Type II – имеет высокую чувствительность, диэлектрическую прони- цаемость и временную стабильность. Используется в качестве излучателей и приемников в акселерометрах, вибродатчиках и гидрофонах. Применения включают уровне и расходометрию, медицинские доплеровские преобразователи. Navy Type III – имеет очень высокую механическую добротность и исполь- зуется в силовыхприменениях. Способен выдерживать высокие уровни электри- ческого и механического напряжения и наиболее пригоден для работы при высо- кой акустической мощности. Применения включают системы ультразвуковой очистки, разрушение клеток, эмульгирование и распыление, а также другие силовые ультразвуковые системы. Navy Туре VI – имеет очень высокие значения диэлектрической проницае- мости, коэффициентов электромеханической связи и пьезомодулей при низкой временной и температурной стабильности. Используется в применениях, требу- ющих точного контроля перемещений, а также, чувствительных приемниках. Низкая температура Кюри ограничивает диапазон рабочих температур. Применения включают медицинскую диагностику, неразрушающий контроль, STM и нано - позиционирование. 110 Приложение Е ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЕ АКТЮАТОРЫ ПАКЕТНОГО ТИПА Пьезопакетные актюаторы изготавливаются путем сборки в пакет монолитных многослойных элементов с чередующимися керамическими и электродными слоями, ось пакета является осью линейного перемещения. При подаче напряжения толщина слоя увеличивается и соответственно увеличивается общая длина пакета. Пакетные актюаторы представляют собой жесткую структуру с большой емкостью состоящую из большого количества пьезослоев, собранных в монолитный блок при помощи спекания. Небольшое перемещение каждого слоя суммируется в общее перемещение и можно получить перемещения порядка от микрон до десятков микрон при усилии от сотен до тысяч Ньютонов. Конструкци пьезопакетных актюаторов: в форме кольца в форме диска Области применения в фото- и рентгенолитография для точного совмещения шаблонов; в медицинской аппаратуре для точной подачи инструмента; в оптомеханических приборах для микроперемещений предметного столика (управление газоанализаторами-дозиметрами); в устройствах волоконной оптики для управления лучом; в системах адаптивной оптики, адаптивных телескопах. ПП-4, ПП-5 применяются для автоматической подстройки и поддержания постоянного оптического параметра кольцевых квантовых генераторов. П-1–П-5 предназначены для параллельного перемещения оптических элементов в оптических квантовых генераторах. ПП-11–ПП-14 применяются в пьезоприводах линейного перемещения. 111 Таблица Е1 – Характеристики пьезокерамических актюаторов пакетного типа Параметр, ед. измерения ПП-4 ПП-11 ПП-12 ПП- 13 ПП-14 П - 1 П - 3 П - 4 П - 5 Чувствительность мкм/В • 10 -3 , не менее 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 2.0 3.0 4,5 4,5 Сопротивление изоляции, МОм, не менее 20.0 50.0 50.0 50.0 50.0 50 50 50 50 Статическая емкость, нФ, не более 80 65 52 22 17 68 37 25 37 Предельно допустимое Напряжение, В -300 ÷ + 500 +600 +600 +600 +600 +600 +600 +600 +600 Масса, г, не более 20.0 15.0 15.0 6.0 6.0 10 6,0 6,0 6,0 Диапазон рабочих температур, º C -60 ÷ +85 -60 ÷ +65 -60 ÷ +65 -60 ÷ +65 -60 ÷ +65 -60 ÷ +85 -60 ÷ +85 -60 ÷ +85 -60 ÷ +85 |