01 壓電陶瓷
壓電陶瓷是機械能與電能的換能器。壓電陶瓷馬達、揚聲器可以將電能轉(zhuǎn)換成機械能;壓電陶瓷點火裝置是將機械能轉(zhuǎn)換成電能。
氣體打火機點火組件裝置的外觀:
▲ 圖1.1 打火機電話裝置的外觀
1.1 點火裝置結(jié)構(gòu)
下面給出了氣體打火機內(nèi)部壓電陶瓷點火器的實際裝置的結(jié)構(gòu)圖。令人感興趣的是,在點火裝置中的壓電陶瓷是分為兩段,高壓輸出是從中間部位引出。
▲ 圖1.2 打火機內(nèi)部壓電陶瓷點火器的實際裝置
下面的壓電陶瓷結(jié)構(gòu)示意圖表面,內(nèi)部兩段 壓電陶瓷從電路上是兩段壓電陶瓷組件并聯(lián),這樣可以增加對外輸出電流。
- 為什么這樣設(shè)計?是否所有的電子打火機都是這樣設(shè)計?
▲ 圖1.3 打火機壓電陶瓷裝置結(jié)果示意圖
從結(jié)構(gòu)上來講,使用將兩段等長壓電陶瓷頭對頭連接,可以保證電極產(chǎn)生高壓時上下兩端電位是相同,這樣就避免高壓通過彈簧傳遞到按壓手指上對人體產(chǎn)生點擊。這個設(shè)計十分的巧妙。
1.2 壓電陶瓷參數(shù)
在 電子打火機的電壓有多少伏_打火機電子點火器電壓分析 - 全文[1] 給出了氣體打火機壓電陶瓷的工作參數(shù)。
電子打火機的打火裝置產(chǎn)生的電壓一般能夠擊穿5-10
毫米的空氣,自然界的干燥空氣擊穿電壓并不與距離成比例,一般是0.5
毫米擊穿電壓1800
伏左右,而1
毫米擊穿電壓約為2000
伏,5
毫米的擊穿電壓大約4000
伏,10
毫米空氣的擊穿電壓大約為6000
伏。
▲ 圖1.2.1 壓電陶瓷電火過程
通過示波器測量可以知道,打火機壓電陶瓷產(chǎn)生的電壓在3000V
以上,這樣高的電壓能夠擊穿2
毫米左右的空氣,從而讓介于金屬的線頭和金屬的氣孔噴嘴中間的丁烷氣體瞬間燃燒。而壓電感應(yīng)產(chǎn)生的電流時間僅僅只有短暫的0.01s
,不會對人體造成傷害的,最多也是感到觸電部位發(fā)麻。
▲ 圖1.2.2 氣體打火機高壓放電電極與噴氣口
1.3 壓電陶瓷制作
同樣在電子打火機的電壓有多少伏_打火機電子點火器電壓分析 - 全文[1]中講述了壓電陶瓷制作過程。
其實壓電陶瓷在燒成之后要置于強直流電場下進行極化處理,經(jīng)過極化處理后的壓電陶瓷會保留一定的宏觀剩余極化強度,從而使陶瓷具有了一定的壓電性質(zhì),簡單說就是經(jīng)過極化了的壓電陶瓷片的兩端會出現(xiàn)束縛電荷(在電極表面上吸附了一層來自外界的自由電荷)。
▲ 圖1.3.1 壓電效應(yīng)的基本原理
當給陶瓷片施加一外界壓力(比如按下打火機的按鈕)時,陶瓷片的兩端會出現(xiàn)放電現(xiàn)象,這個放出來的電通過一根細細的電線傳導到氣孔,金屬的線頭和金屬的氣孔噴嘴構(gòu)成正負極(相當于線頭和噴嘴之間人造了一個小的閃電),產(chǎn)生的電弧就能把氣體點燃。
▲ 圖1.3.2 點火裝置中的壓電效應(yīng)
02 電氣參數(shù)
2.1 壓電陶瓷表面電場
根據(jù)前面關(guān)于壓電陶瓷制作過程來看,壓電陶瓷本身應(yīng)該具有駐極體特性,表面存在一定量的殘存電荷。
下面是從實際氣體打火機點火壓電陶瓷上拆卸下一段壓電陶瓷,它的一端固定有金屬帽。從結(jié)構(gòu)上這部分 應(yīng)該屬于壓電陶瓷的負極。
▲ 圖2.1 壓電陶瓷柱
壓電陶瓷殘存電荷所形成的電場可以由電場表檢測出來。將上面壓電陶瓷一端對準靜電表,可以看到讀數(shù)顯示為 -8.9kV。
▲ 圖2.2 壓電陶瓷表面的電場
上面測量數(shù)字是將 壓電陶瓷正極對準靜電表測量窗口獲得的??梢钥吹皆跊]有施加壓力的情況下,壓電陶瓷正極表面電場為負值。
▲ 圖2.3 測量壓電陶瓷極柱體表面電場
2.2 電極參數(shù)
利用 SmartTweezer 測量點火高壓電極與金屬底座之間的阻抗參數(shù)。
▲ 圖2.2.1 測量高壓放電電極與壓電陶瓷兩端阻抗
● 電極阻抗參數(shù):
電容
:6.3pF
電阻
:100MΩ
2.3 絕緣電阻
利用絕緣電阻測量儀測量壓電陶瓷兩端的電阻。
- 測量結(jié)果: 兩端的電阻超過20GΩ。
▲ 圖2.2.2 絕緣電阻測量
2.4 兩端電壓波形
利用示波器測量壓電陶瓷正極電壓。使用改錐擠壓壓電陶瓷,然后突然釋放壓力。下面是通過示波器的單次觸發(fā)測量到的電壓波形??梢钥吹皆趬毫ν蝗粶p小,壓電陶瓷正極出現(xiàn)一個負脈沖。
▲ 圖2.4.1 兩端電壓波形
2.5 壓電陶瓷變形
在壓電陶瓷兩端施加電壓,應(yīng)該會引起壓電陶瓷形變。下面利用相位攝像頭對陣點火壓電陶瓷一段進行觀察,同時對壓電陶瓷施加+2000V電壓。結(jié)果沒有能夠觀察到任何形變。
▲ 圖2.4.2 壓電陶瓷變形
這也說明壓電陶瓷的形變系數(shù)非常小。
利用 脈沖20KV高壓發(fā)生器電弧打火[2] 產(chǎn)生的高壓脈沖信號施加在壓電陶瓷兩端。下面動圖可以看到壓電陶瓷模塊內(nèi)有出現(xiàn)可震動,使得內(nèi)部有液體流出。
▲ 圖2.5.2 壓電陶瓷內(nèi)部的變化
※ 測量總結(jié) ※
本文對于氣體打火機的 壓電陶瓷特性進行出初步測量。利用示波器觀察到陶瓷兩邊在壓力變化時所產(chǎn)生的電壓變化信號。對于壓電陶瓷施加2000V直流電壓,沒有能夠觀察到任何形變。
參考資料
[1]電子打火機的電壓有多少伏_打火機電子點火器電壓分析 - 全文: http://www.elecfans.com/dianzichangshi/20171221606100_a.html
[2]脈沖20KV高壓發(fā)生器電弧打火: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/118341675