- Ứng xử của một miếng PZT làm việc theo phƣơng dọc trục (phƣơng 3) đƣợc
thể hiện trên hình
Hình 2.7.2b PZT làm việc theo hướng trục
- Đây là loại PZT đƣợc sử dụng nhiều trong thực tế để tạo ra rung động do các
biến dạng cơ học của PZT này tạo ra. Các tính toán về loại PZT này đƣợc trình bày nhƣ sau:
Hành trình- chính là biên độ rung khi ∆F=0 (không có tải):
∆h=d33.U (2.6) Lực cản (lực phát sinh bởi việc nén tấm PZT) khi ∆h=0:
Độ cứng (hằng số lò xo):
Tần số cộng hƣởng cho PZT tự do với w và l < h:
=
Tần số cộng hƣởng khi phần đáy của PZT đƣợc gắn vào một bệ cố định:
(2.10)
- Với các loại miếng PZT dạng trụ tròn xoay, thông số l.w đƣợc thay bằng 2 r. Trong các công thức trên thì ý nghĩa các thông số là:
(1) 11chính là hằng số điện môi với sự thay đổi điện môi và điện trƣờng trong hƣớng 1 dƣới điều kiện ứng suất cố định, đơn vị là F/m;
(2) 11chính là hằng số điện môi với sự thay đổi điện môi và điện trƣờng trong hƣớng 3 dƣới điều kiện biến dạng cố định, đơn vị là F/m;
(3) 11là độ mềm của ứng suất và sự kết hợp với biến dạng theo hƣớng 1 khi điện trƣờng cố định, đơn vị là m2/N;
(4) 36là độ mềm với ứng suất trƣợt theo trục 3 và kết hợp với biến dạng theo hƣớng 3 dƣới điều kiện độ dịch chuyển điện cố định, đơn vị là m2/N:
- D ( chỉ số trên) thể hiện điều kiện lƣợng dịch chuyển điện cố định,
- E ( chỉ số trên) thể hiện điều kiện điện trƣờng cố định;
(5) d33 là hệ số biến dạng cơ theo phƣơng dọc (m/V) hay là độ phân cực theo phƣơng 3 trên 1 đơn vị ứng suất tác dụng theo phƣơng 3;
(6) d31 là hệ số biến dạng cơ theo phƣơng ngang (m/V) hay là độ phân cực theo hƣớng 3 trên 1 đơn vị ứng suất tác dụng theo phƣơng 1;
(7) g31 là hằng số điện áp áp điện theo phƣơng ngang (Vm/N) hay là lƣợng điện trƣờng đƣợc tạo ra theo chiều 3 trên 1 đơn vị ứng suất tác dụng theo hƣớng 1;
(8) g33 là hằng số điện áp áp điện theo phƣơng dọc (Vm/N) hay là lƣợng điện trƣờng đƣợc tạo ra theo chiều 3 trên 1 đơn vị ứng suất tác dụng theo hƣớng 3;
(9) g15, đơn vị Vm/N, là lƣợng điện trƣờng gây ra theo chiều 1 trên 1 đơn vị ứng suất trƣợt tác dụng theo hƣớng 2;
(10) keff là hệ số thể hiện hiệu suất chuyển đổi cơ-điện do việc liên kết giữa các PZT và phần kẹp:
- k33 là hệ số hiệu suất lắp ghép theo phƣơng dọc (%),
- k31 là hệ số hiệu suất lắp ghép theo phƣơng ngang (%);
(11) N là hệ số tần số phụ thuộc vào kích thƣớc các tấm PZT, đơn vị là m/s:
- 3là hệ số tần số theo phƣơng 3 trong điều kiện độ dịch chuyển điện không thay đổi,
- 1là hệ số tần số theo phƣơng 1 trong điều kiện độ dịch chuyển điện không thay đổi.
- Với việc ứng dụng hiệu ứng áp điện và sử dụng các tính tốn ở trên, nhiều công
ty trên thế giới đã chế tạo ra nhiều loại PZT phục vụ cho việc tạo rung động ứng dụng cho nhiều ngành công nghiệp như gia công cơ, làm chậu rửa, thiết bị y học cũng như ứng dụng trong công nghệ sensor áp dụng cho các thiết bị đo lực, cân trọng lượng
- PZT này thường được chế tạo thành hai dạng cơ bản sau:
Dạng PZT dạng miếng đơn, được thể hiện ở hình 2.7.3:
Hình 2.6: PZT dạng miếng đơn
Loại này gồm các số hiệu PZT-4, PZT-8 với các kích thước đa dạng phù
hợp cho từng trường hợp cụ thể. Đây là các miếng PZT được dùng để đo lực cắt, trọng lượng hoặc sử dụng tạo rung động tần số cao và biên độ nhỏ vì mỗi miếng PZT chỉ có thể tạo ra rung động với biên độ 1.8 ÷ 2 ( m) và tần số rất lớn (đến hàng chục, hàng trăm kHz).
Dạng PZT xếp chồng, được thể hiện ở hình 2.4
Hình 2.7: PZT dạng xếp chồng
Loại PZT này được các công ty chế tạo sẵn thành các cột xếp chồng với các số hiệu PZT5A, PZT5K có thể tạo được rung động với biên độ lớn và tần số rất lớn (hàng chục đến hàng trăm, nghìn kHz).
- Phương pháp tạo rung động bằng các PZT là phương pháp tạo rung tiến tiến nhất
hiện nay và đang được ứng dụng rất phổ biến trong công nghiệp. Ưu điểm của phương pháp chính là có thể tạo ra rung động với công suất rất lớn (đến hàng nghìn W) và tần số rung động rất cao, vượt qua tần số siêu âm nhiều lần (f > 20 kHz). Hơn nữa, các cơ cấu này thường cho biên độ rung thấp A = 2 ÷ 5 ( m) nó thích hợp cho gia công tiện cứng nhằm nâng cao chất lượng bề mặt cho chi tiết sau tiện. Nhược điểm của phương pháp này chính là chi phí chế tạo cao (chi phí cho các PZT và máy phát điện áp xung tần số cao tính bằng hàng trăm hoặc hàng ngàn USD). Qua các phân tích ở trên kết hợp với mục tiêu của đề tài là nâng cao độ chính xác và chất lượng bề mặt cho chi tiết khi tiện, phương pháp tạo rung động siêu âm tần số cao bằng các PZT đã được chọn để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm.