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压电陶瓷预应力技术

预载荷是由于施加扭矩和螺纹而产生的弹性伸长在换能器螺栓上产生的牵引力。预应力是压电陶瓷中的平均静态应力,等于螺栓牵引力除以环的横截面积。预应力旨在最大化换能器元件之间的最大功率和有效接触面积,并避免在操作过程中出现位移。

材料 预应力
PZT-8 45MPa
PZT-4 35MPa
表 1 - 典型的最佳预应力 (±14 %)

最佳预应力取决于压电材料的抗压强度和环上的静压分布。通常,静压在靠近螺栓的内边缘处最大,并向外边缘呈圆对称减小。PZT-8 的典型最佳预应力值为 45 MPa,PZT-4 的典型最佳预应力值为 35 MPa,如上表 1 所示。与最佳预应力不同,扭矩根据压电陶瓷的横截面积、螺栓尺寸和摩擦系数而变化。值得一提的是,摩擦系数对表面处理、清洁度和润滑度非常敏感。

预应力与扭矩成正比;然而,比例因表面光洁度、清洁度和润滑度的不同而有很大差异。

预应力控制对于超声换能器和转换器的使用寿命、最大工作功率和效率至关重要,也是决定因素。过大的预应力会改变压电材料的特性,并可能导致破碎,而预应力不足会使陶瓷在高功率下发生横向位移,导致裂纹、电弧和短路。

预应力控制与应用

我们开发的创新技术,在螺栓预加载过程中,可以准确实时地测量预应力。预压缩控制仅限于扭矩控制或电荷存储,而不考虑压力单位(MPa或ksi)的预应力绝对值。

扭矩与预应力不同。扭矩是施加在螺栓上的力(F)x距离(d),预应力等于螺栓牵引力(T)除以环的横截面积(S)。

基于扭矩的预应力控制是可行的,但这种间接的方式不够准确,因为预应力x扭矩的相关性取决于摩擦系数,而摩擦系数随表面处理、清洁度和润滑度的变化而变化。例如,如果螺栓因螺纹问题而被卡住,尽管达到了目标扭矩,但预应力会比预期的低很多。

优化预应力应用

松开螺栓,将设备连接到转换器上,输入陶瓷的参数,施加螺栓预载,直到达到目标预应力,如上图所示。预紧力可缓慢,有停顿的施加。在组装传感器之前,确保接口、螺纹和金属块清洁、干燥且无润滑。只能润滑螺栓头座,以减少达到目标预应力所需的扭矩。

如果螺栓因螺纹问题或环氧树脂粘结污染而卡住,为了保护螺栓,使用扭矩扳手,扭矩设置为达到目标预应力所需典型扭矩的120%。

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