气体打火机压电陶瓷特性

Posted 2022-02-27 卓晴

 

§01 压电陶瓷

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  压电陶瓷是机械能与电能的换能器。压电陶瓷马达、扬声器可以将电能转换成机械能；压电陶瓷点火装置是将机械能转换成电能。

  气体打火机点火组件装置的外观：

▲ 图1.1 打火机电话装置的外观

1.1 点火装置结构

  下面给出了气体打火机内部压电陶瓷点火器的实际装置的结构图。令人感兴趣的是，在点火装置中的压电陶瓷是分为两段，高压输出是从中间部位引出。

▲ 图1.2 打火机内部压电陶瓷点火器的实际装置

  下面的压电陶瓷结构示意图表面，内部两段 压电陶瓷从电路上是两段压电陶瓷组件并联，这样可以增加对外输出电流。

• 为什么这样设计？
• 是否所有的电子打火机都是这样设计？

▲ 图1.3 打火机压电陶瓷装置结果示意图

  从结构上来讲，使用将两段等长压电陶瓷头对头连接，可以保证电极产生高压时上下两端电位是相同，这样就避免高压通过弹簧传递到按压手指上对人体产生点击。这个设计十分的巧妙。

1.2 压电陶瓷参数

  在 电子打火机的电压有多少伏_打火机电子点火器电压分析 - 全文 给出了气体打火机压电陶瓷的工作参数。

  电子打火机的打火装置产生的电压一般能够击穿5-10毫米的空气，自然界的干燥空气击穿电压并不与距离成比例，一般是0.5毫米击穿电压1800伏左右，而1毫米击穿电压约为2000伏，5毫米的击穿电压大约4000伏，10毫米空气的击穿电压大约为6000伏。

▲ 图1.2.1 压电陶瓷电火过程

  通过示波器测量可以知道，打火机压电陶瓷产生的电压在3000V以上，这样高的电压能够击穿2毫米左右的空气，从而让介于金属的线头和金属的气孔喷嘴中间的丁烷气体瞬间燃烧。而压电感应产生的电流时间仅仅只有短暂的0.01s，不会对人体造成伤害的，最多也是感到触电部位发麻。

▲ 图1.2.2 气体打火机高压放电电极与喷气口

1.3 压电陶瓷制作

  同样在电子打火机的电压有多少伏_打火机电子点火器电压分析 - 全文中讲述了压电陶瓷制作过程。

  其实压电陶瓷在烧成之后要置于强直流电场下进行极化处理，经过极化处理后的压电陶瓷会保留一定的宏观剩余极化强度，从而使陶瓷具有了一定的压电性质，简单说就是经过极化了的压电陶瓷片的两端会出现束缚电荷（在电极表面上吸附了一层来自外界的自由电荷）。

▲ 图1.3.1 压电效应的基本原理

  当给陶瓷片施加一外界压力（比如按下打火机的按钮）时，陶瓷片的两端会出现放电现象，这个放出来的电通过一根细细的电线传导到气孔，金属的线头和金属的气孔喷嘴构成正负极（相当于线头和喷嘴之间人造了一个小的闪电），产生的电弧就能把气体点燃。

▲ 图1.3.2 点火装置中的压电效应

 

§02 电气参数

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2.1 压电陶瓷表面电场

  根据前面关于压电陶瓷制作过程来看，压电陶瓷本身应该具有驻极体特性，表面存在一定量的残存电荷。

  下面是从实际气体打火机点火压电陶瓷上拆卸下一段压电陶瓷，它的一端固定有金属帽。从结构上这部分 应该属于压电陶瓷的负极。

▲ 图2.1 压电陶瓷柱

  压电陶瓷残存电荷所形成的电场可以由电场表检测出来。将上面压电陶瓷一端对准静电表，可以看到读数显示为 -8.9kV。

▲ 图2.2 压电陶瓷表面的电场

  上面测量数字是将 压电陶瓷正极对准静电表测量窗口获得的。可以看到在没有施加压力的情况下，压电陶瓷正极表面电场为负值。

▲ 图2.3 测量压电陶瓷极柱体表面电场

2.2 电极参数

  利用 SmartTweezer 测量点火高压电极与金属底座之间的阻抗参数。

▲ 图2.2.1 测量高压放电电极与压电陶瓷两端阻抗

电极阻抗参数：

电容：6.3pF
电阻：100MΩ

2.3 绝缘电阻

  利用绝缘电阻测量仪测量压电陶瓷两端的电阻。

• 测量结果： 两端的电阻超过20GΩ。

▲ 图2.2.2 绝缘电阻测量

2.4 两端电压波形

  利用示波器测量压电陶瓷正极电压。使用改锥挤压压电陶瓷，然后突然释放压力。下面是通过示波器的单次触发测量到的电压波形。可以看到在压力突然减小，压电陶瓷正极出现一个负脉冲。

▲ 图2.4.1 两端电压波形

2.5 压电陶瓷变形

  在压电陶瓷两端施加电压，应该会引起压电陶瓷形变。下面利用相位摄像头对阵点火压电陶瓷一段进行观察，同时对压电陶瓷施加+2000V电压。结果没有能够观察到任何形变。

▲ 图2.4.2 压电陶瓷变形

  这也说明压电陶瓷的形变系数非常小。

  利用 脉冲20KV高压发生器电弧打火 产生的高压脉冲信号施加在压电陶瓷两端。下面动图可以看到压电陶瓷模块内有出现可震动，使得内部有液体流出。

▲ 图2.5.2 压电陶瓷内部的变化

 

※ 测量总结 ※

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  本文对于气体打火机的 压电陶瓷特性进行出初步测量。利用示波器观察到陶瓷两边在压力变化时所产生的电压变化信号。对于压电陶瓷施加2000V直流电压，没有能够观察到任何形变。

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■ 相关文献链接:

• 电子打火机的电压有多少伏_打火机电子点火器电压分析 - 全文
• 脉冲20KV高压发生器电弧打火

● 相关图表链接:

• 图1.1 打火机电话装置的外观
• 图1.2 打火机内部压电陶瓷点火器的实际装置
• 图1.3 打火机压电陶瓷装置结果示意图
• 图1.2.1 压电陶瓷电火过程
• 图1.2.2 气体打火机高压放电电极与喷气口
• 图1.3.1 压电效应的基本原理
• 图1.3.2 点火装置中的压电效应
• 图2.1 压电陶瓷柱
• 图2.2 压电陶瓷表面的电场
• 图2.3 测量压电陶瓷极柱体表面电场
• 图2.2.1 测量高压放电电极与压电陶瓷两端阻抗
• 图2.2.2 绝缘电阻测量
• 图2.4.1 两端电压波形
• 图2.4.2 压电陶瓷变形
• 图2.5.2 压电陶瓷内部的变化