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                      氣體打火機中的壓電陶瓷

                      發布時間:2022-03-08 來源:TsinghuaJoking 責任編輯:wenwei

                      【導讀】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換成機械能;壓電陶瓷點火裝置是將機械能轉換成電能。


                      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換成機械能;壓電陶瓷點火裝置是將機械能轉換成電能。

                      ??

                      氣體打火機點火組件裝置的外觀:


                      1.jpg

                      圖1.1 打火機電話裝置的外觀


                      1.1 點火裝置結構


                      下面給出了氣體打火機內部壓電陶瓷點火器的實際裝置的結構圖。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。


                      2.png

                      圖1.2 打火機內部壓電陶瓷點火器的實際裝置

                      ??

                      下面的壓電陶瓷結構示意圖表面,內部兩段 壓電陶瓷從電路上是兩段壓電陶瓷組件并聯,這樣可以增加對外輸出電流。


                      ●    為什么這樣設計?

                      ●    是否所有的電子打火機都是這樣設計?


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                      圖1.3 打火機壓電陶瓷裝置結果示意圖

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                      從結構上來講,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生點擊。這個設計十分的巧妙。


                      1.2 壓電陶瓷參數


                      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。

                      ??

                      電子打火機的打火裝置產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。


                      4.gif

                      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。而壓電感應產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麻。


                      5.jpg

                      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,簡單說就是經過極化了的壓電陶瓷片的兩端會出現束縛電荷(在電極表面上吸附了一層來自外界的自由電荷)。


                      6.png

                      圖1.3.1 壓電效應的基本原理

                      ??

                      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放電現象,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成正負極(相當于線頭和噴嘴之間人造了一個小的閃電),產生的電弧就能把氣體點燃。


                      7.png

                      圖1.3.2 點火裝置中的壓電效應


                      02 電氣參數


                      2.1 壓電陶瓷表面電場


                      根據前面關于壓電陶瓷制作過程來看,壓電陶瓷本身應該具有駐極體特性,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。從結構上這部分 應該屬于壓電陶瓷的負極。


                      8.jpg

                      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,可以看到讀數顯示為 -8.9kV。


                      9.jpg

                      圖2.2 壓電陶瓷表面的電場

                      ??

                      上面測量數字是將 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。


                      10.jpg

                      圖2.3 測量壓電陶瓷極柱體表面電場


                      2.2 電極參數


                      利用 SmartTweezer 測量點火高壓電極與金屬底座之間的阻抗參數。


                      11.jpg

                      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: 


                      ???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。


                      ●    測量結果:  兩端的電阻超過20GΩ。


                      12.jpg

                      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,壓電陶瓷正極出現一個負脈沖。


                      13.png

                      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。結果沒有能夠觀察到任何形變。


                      14.jpg

                      圖2.4.2 壓電陶瓷變形

                      ??

                      這也說明壓電陶瓷的形變系數非常小。

                      ??

                      利用脈沖20KV高壓發生器電弧打火[2]  產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有出現可震動,使得內部有液體流出。


                      1646394166253333.gif

                      圖2.5.2  壓電陶瓷內部的變化


                      ※ 測量總結 ※


                      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高壓發生器電弧打火: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/118341675



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