打火機(jī)壓電陶瓷裝置設(shè)計(jì)方案

01 壓電陶瓷

壓電陶瓷是機(jī)械能與電能的換能器。壓電陶瓷馬達(dá)、揚(yáng)聲器可以將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能;壓電陶瓷點(diǎn)火裝置是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。

氣體打火機(jī)點(diǎn)火組件裝置的外觀：

▲ 圖1.1 打火機(jī)電話(huà)裝置的外觀

1.1 點(diǎn)火裝置結(jié)構(gòu)

下面給出了氣體打火機(jī)內(nèi)部壓電陶瓷點(diǎn)火器的實(shí)際裝置的結(jié)構(gòu)圖。令人感興趣的是，在點(diǎn)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(jī)內(nèi)部壓電陶瓷點(diǎn)火器的實(shí)際裝置

下面的壓電陶瓷結(jié)構(gòu)示意圖表面，內(nèi)部?jī)啥?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(duì)外輸出電流。

為什么這樣設(shè)計(jì)?

是否所有的電子打火機(jī)都是這樣設(shè)計(jì)?

▲ 圖1.3 打火機(jī)壓電陶瓷裝置結(jié)果示意圖

從結(jié)構(gòu)上來(lái)講，使用將兩段等長(zhǎng)壓電陶瓷頭對(duì)頭連接，可以保證電極產(chǎn)生高壓時(shí)上下兩端電位是相同，這樣就避免高壓通過(guò)彈簧傳遞到按壓手指上對(duì)人體產(chǎn)生點(diǎn)擊。這個(gè)設(shè)計(jì)十分的巧妙。

1.2 壓電陶瓷參數(shù)

在 電子打火機(jī)的電壓有多少伏_打火機(jī)電子點(diǎn)火器電壓分析 - 全文[1] 給出了氣體打火機(jī)壓電陶瓷的工作參數(shù)。

電子打火機(jī)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(guò)程

通過(guò)示波器測(cè)量可以知道，打火機(jī)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(xiàn)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(shí)間僅僅只有短暫的0.01s，不會(huì)對(duì)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(jī)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(jī)的電壓有多少伏_打火機(jī)電子點(diǎn)火器電壓分析 - 全文[1]中講述了壓電陶瓷制作過(guò)程。

其實(shí)壓電陶瓷在燒成之后要置于強(qiáng)直流電場(chǎng)下進(jìn)行極化處理，經(jīng)過(guò)極化處理后的壓電陶瓷會(huì)保留一定的宏觀剩余極化強(qiáng)度，從而使陶瓷具有了一定的壓電性質(zhì)，簡(jiǎn)單說(shuō)就是經(jīng)過(guò)極化了的壓電陶瓷片的兩端會(huì)出現(xiàn)束縛電荷(在電極表面上吸附了一層來(lái)自外界的自由電荷)。

▲ 圖1.3.1 壓電效應(yīng)的基本原理

當(dāng)給陶瓷片施加一外界壓力(比如按下打火機(jī)的按鈕)時(shí)，陶瓷片的兩端會(huì)出現(xiàn)放電現(xiàn)象，這個(gè)放出來(lái)的電通過(guò)一根細(xì)細(xì)的電線(xiàn)傳導(dǎo)到氣孔，金屬的線(xiàn)頭和金屬的氣孔噴嘴構(gòu)成正負(fù)極(相當(dāng)于線(xiàn)頭和噴嘴之間人造了一個(gè)小的閃電)，產(chǎn)生的電弧就能把氣體點(diǎn)燃。

▲ 圖1.3.2 點(diǎn)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(chǎng)

根據(jù)前面關(guān)于壓電陶瓷制作過(guò)程來(lái)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(shí)際氣體打火機(jī)點(diǎn)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(fù)極。

▲ 圖2.1 壓電陶瓷柱

壓電陶瓷殘存電荷所形成的電場(chǎng)可以由電場(chǎng)表檢測(cè)出來(lái)。將上面壓電陶瓷一端對(duì)準(zhǔn)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(chǎng)

上面測(cè)量數(shù)字是將 壓電陶瓷正極對(duì)準(zhǔn)靜電表測(cè)量窗口獲得的?？梢钥吹皆跊](méi)有施加壓力的情況下，壓電陶瓷正極表面電場(chǎng)為負(fù)值。

▲ 圖2.3 測(cè)量壓電陶瓷極柱體表面電場(chǎng)

2.2 電極參數(shù)

利用 SmartTweezer 測(cè)量點(diǎn)火高壓電極與金屬底座之間的阻抗參數(shù)。

▲ 圖2.2.1 測(cè)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(cè)量?jī)x測(cè)量壓電陶瓷兩端的電阻。

測(cè)量結(jié)果： 兩端的電阻超過(guò)20GΩ。

▲ 圖2.2.2 絕緣電阻測(cè)量

2.4 兩端電壓波形

利用示波器測(cè)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(guò)示波器的單次觸發(fā)測(cè)量到的電壓波形。可以看到在壓力突然減小，壓電陶瓷正極出現(xiàn)一個(gè)負(fù)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(huì)引起壓電陶瓷形變。下面利用相位攝像頭對(duì)陣點(diǎn)火壓電陶瓷一段進(jìn)行觀察，同時(shí)對(duì)壓電陶瓷施加+2000V電壓。結(jié)果沒(méi)有能夠觀察到任何形變。

▲ 圖2.4.2 壓電陶瓷變形

這也說(shuō)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(hào)施加在壓電陶瓷兩端。下面動(dòng)圖可以看到壓電陶瓷模塊內(nèi)有出現(xiàn)可震動(dòng)，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(cè)量總結(jié) ※

本文對(duì)于氣體打火機(jī)的 壓電陶瓷特性進(jìn)行出初步測(cè)量。利用示波器觀察到陶瓷兩邊在壓力變化時(shí)所產(chǎn)生的電壓變化信號(hào)。對(duì)于壓電陶瓷施加2000V直流電壓，沒(méi)有能夠觀察到任何形變。

原文標(biāo)題：氣體打火機(jī)中的壓電陶瓷

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審核編輯：湯梓紅