Принцип действия пьезоэлемента: Пьезоэлемент

Принцип работы пьезоэлемента

Пьезоэлектричество было открыто в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри. Они заметили, что при давлении на кварц или отдельные кристаллы образуется электрический заряд. Позже это явление получило название пьезоэлектрического эффекта. Вскоре братья Кюри открыли обратный пьезоэлектрический эффект. Это было после приложения к материалу или кристаллу электрического поля, которое привело к механической деформации объекта.

Термин пьезоэлектричество происходит от греческого слова «пьезо», что обозначает сжатие. Стоит отметить, что от греческого слова «янтарь» происходит слово «электричество». Янтарь тоже может быть источником электрической энергии.

Многие современные электронные устройства используют пьезоэлектрический эффект для своей работы. Например, при использовании некоторых устройств распознавания звука микрофоны, которые они используют, работают на основе упомянутого выше эффекта. Пьезоэлектрический кристалл превращает энергию вашего голоса в электрический сигнал, с которым могут работать смартфоны, компьютеры и другие электронные устройства.

Создание некоторых продвинутых технологий тоже стало возможно благодаря пьезоэлектрическому эффекту. Например, мощные гидролокаторы используют маленькие чувствительные микрофоны и керамический звуковой датчик, созданные на основе пьезоэлектрического эффекта.

 Прямой пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический материал (керамический или кристаллический) помещают между двумя металлическими пластинами. Для генерации электрического заряда необходимо приложить механическое усилие (сжать или разжать). При приложении механического усилия на металлических пластинах начинает скапливаться электрический заряд:

Таким образом, пьезоэлектрический эффект действует как миниатюрный аккумулятор. Микрофоны, датчики давления, гидролокаторы и другие чувствительные устройства используют этот эффект для своей работы.

Обратный пьезоэлектрический эффект

Он заключается в том, что при приложении электрического напряжения к пьезоэлектрическому кристаллу произойдет механическая деформация тела, под которой оно будет расширяться или сжиматься:

Обратный пьезоэлектрический эффект значительно помогает при разработке акустических устройств.

Примером могут послужить звуковые колонки, сирены, звонки.

Преимущества таких динамиков в том, что они очень тонкие, а это делает их практически незаменимыми при использовании в мелких устройствах, например, в мобильных телефонах.

Также этот эффект часто используют медицинские ультразвуковые и гидроакустические датчики.

Пьезоэлектрические материалы

Данные материалы должны производить электрическую энергию из-за механических воздействий, таких как сжатие. Также эти материалы должны деформироваться при приложении к ним напряжения.

Данные материалы условно разделяют на две группы – кристаллы и керамические изделия. ЦТС (цирконат-титанат свинца), титанат бария, ниобат лития – примеры искусственных пьезоэлектрических материалов, обладающих более ярко выраженным эффектом, чем кварц и другие природные материалы.

Пьезоэлектрические устройства

Гидролокатор

Гидролокатор был изобретен в 1900-х годах Льюисом Никсоном. Первоначально он использовался для обнаружения айсбергов.

Однако интерес к нему очень сильно возрос в период Первой мировой войны, где он использовался для обнаружения подводных лодок.

В наше время гидролокатор является распространенным прибором с большим количеством различного рода применений.

На рисунке ниже показан принцип работы гидролокатора:

Принцип работы довольно прост – передатчик, который использует обратный пьезоэлектрический эффект, посылает звуковые волны в определенном направлении. При попадании волны на объект она отражается и возвращается обратно, где ее обнаруживает приемник.

Приемник, в отличии от передатчика, использует прямой пьезоэлектрический эффект. Он преобразует возвращаемую отраженную звуковую волну в электрический сигнал и передает его в электронную систему, которая и будет производит дальнейшую обработку сигнала. Расстояние от источника сигнала до определяемого объекта вычисляется на основании временных характеристик сигналов передатчик – приемник.

Пьезоэлектрические исполнительные устройства

Ниже показана работа силового привода на  основе пьезоэлектрического эффекта:

Работа привода довольно проста – под воздействием приложенного к материалу напряжения происходит его расширение или сужение, которое и приводит привод в движение.

Например, некоторые вязальные машины используют этот эффект для своей работы благодаря его простоте и минимальному количеству вращающихся частей. Такие приводы применяются даже в некоторых видеокамерах и мобильных телефонах в качестве приводов фокусировки.

Пьезоэлектрические громкоговорители и зуммеры

Такие устройства используют обратный пьезоэлектрический эффект для создания и воспроизведения звука. При подаче напряжения к динамикам и зуммерам он начинает вибрировать и таким образом генерирует звуковые волны.

Пьезоэлектрические динамики обычно используют в будильниках или других несложных акустических системах для создания простой аудиосистемы. Эти ограничение вызваны частотой среза данных систем.

Пьезо драйверы

Пьезо драйверы могут преобразовывать низкое напряжение батареи в высокое для питания силовых пьезоэлектрических устройств. Пьезо драйверы помогают инженерам создавать большие значения синусоидального напряжения.

Ниже представлена блок схема, показывающая принцип работы пьезо драйвера:

Пьезо драйвер будет получать низкое напряжение от батареи и повышать его с помощью усилителя.

Осциллятор будет подавать на вход драйвера синусоидальное напряжение малой амплитуды, которое в последующем будет повышено пьезо драйвером и отправлено на пьезо устройство.

Описание устройства и цепей измерения

Пьезоэлектрический преобразователь давления имеет следующую структуру:

  • мембрана, которая является дном корпуса;
  • обкладка снаружи заземлена, а средняя изолируется кварцем;
  • пластины имеют высокое сопротивление, соединены параллельно;
  • фольгу и внутреннюю жилу кабеля скрепляют в отверстии, закрывающемся крышкой.

Мощность на выходе – минимальна, в связи с этим предусматривают усилитель с большим сопротивлением. По сути, напряжение зависит от емкости цепи входа. Характеристики преобразователя указывают на чувствительность и емкость. В основном это заряд и собственные показатели устройства. Если рассчитать суммарно, то получится следующая выходная мощность: Sq = q/F или Uxx = d11·F/Co.

Чтобы расширить диапазон частоты, необходимо измеряемые низкие переменные увеличить в сторону постоянной цепи времени. Подобное действие легко осуществить с помощью включения конденсаторов, которые расположены параллельно с устройством. Правда при этом напряжение выхода снизится. Сопротивление, которое было увеличено, расширит диапазон без утрат чувствительности. Но для его повышения необходимы улучшенные изоляционные качества и усилители с высокоомным входом.

Описание цепей измерения

Удельное и поверхностное сопротивления определяют собственное, причем основная составляющая для кварца выше, поэтому пьезоэлектрический преобразователь необходимо герметизировать. В результате повышаются качества, и поверхность защищается от влаги и грязи. Цепи измерения датчиков создавались как высокоомные усилители, в основе которых использовались выходной каскад на полевом транзисторе и неинвертирующий усилитель с операционным устройством. Напряжение поступает на вход и выход.

Однако в этом устаревшем пьезоэлектрическом преобразователе были недостатки:

  • зависимость напряжения выхода и чувствительность по отношению к объему датчика;
  • нестабильная емкость, которая меняется из-за температурных условий.

Напряжение усилителя и чувствительность определяются допустимой погрешностью, если дополнить включенный стабильный объем С1.

Формула: ys = (ΔCo + ΔCk)/(Co+Ck +C1).

После преобразования получаем: S=Ubx/F.

Если коэффициент увеличивается, соответственно, и эти переменные возрастают.

Для измерительной цепи характерно:

  • постоянная линия времени;
  • сопротивление R определено входным усилением, изоляцией датчиков, кабелей, и R3;
  • МДП-транзисторы сильнее по сравнению с полевыми устройствами, однако имеют высокий уровень шума;
  • R3 стабилизирует напряжение, его значение высчитывается как ~ 1011 Ом.

Анализируя последнюю переменную, можно предположить, что постоянная линия времени следующая: t ≤ 1c. Сегодня устройства могут использовать с усилителями напряжения пьезоэлектрические датчики для заряда.

Преимущественные характеристики устройств

  • простота конструкционной сборки;
  • габариты;
  • надежность;
  • преобразование напряжения механики в электрический заряд;
  • переменные величины, которые можно быстро измерить.

В случае с материалом вроде кварца, который близок к идеальному состоянию тела, преобразование механики в заряд электрики возможно с минимальной погрешностью от -4 до -6.

Однако развитие высокоточной техники улучшило способность реализовать точность без потерь.

В результате можно прийти к выводу, что для измерителей сил, давления и прочих элементов наиболее подходящими являются пьезоэлектрические преобразователи.

ПЭП ускорения имеет следующую конструкцию:

  • все материалы крепятся к титановому основанию;
  • два одновременно включенных пьезоэлемента из кварца;
  • высокоплотная инерционная масса предназначена для минимальных габаритов;
  • снятие сигнала посредством латунной фольги;
  • она, в свою очередь, соединена с кабелем, который припаивается;
  • датчик закрыт крышкой, навинченной в основании;
  • чтобы укрепить измеритель на объекте, нарезают резьбу.

Конструкционные особенности преобразователей

Если необходимо изготовить датчик акселерометра, то важно правильно прикрепить пьезочувствительные пластины к основанию. Это действие осуществляется паянием.

Кабель должен соответствовать следующим требованиям:

  • изоляционное сопротивление должно быть высоким;
  • экран размещен рядом с жилой;
  • антивибрационность;
  • гибкость.

То есть на вход усилителя не должна производиться тряска кабеля. Измерительная цепь создается симметрично, чтобы не возникало помех. В датчике связь несимметричная, сопротивление выводов и корпуса соединено таким образом, что получается изоляция внешних пластин. Чтобы добиться нужного результата, требуется измеритель выполнить из нечетного количества материалов, которые используются в процессе. Элементы прижимаются к усилителю сквозь отверстия в центральной части и через изоляторы, которые привинчены к корпусу.

Особенности приборов, измеряющих вибрации

Чтобы увеличить чувствительность измерительного прибора, необходимо применить пьезоэлементы с высоким модулем. Этот материал укладывают параллельно в ряд и соединяют металлическими прокладками и пластинами. Для подобного эффекта еще могут применяться вещества, которые работают на изгиб. Однако они имеют низкую частоту и уступают механике сжатия.

Материал может быть биморфным, его обычно собирают последовательно или параллельно, все зависит от положительно расположенных осей. Как правило, это две пластины. Если учитывать нейтральный слой, то над ним вместо пьезоэлемента может использоваться накладка из металла со средней толщиной.

Чтобы измерить сигналы, которые двигаются достаточно медленно, необходимо сделать следующее:

  • пьезопреобразователь включают в автогенератор;
  • кристалл находится на резонансной частоте;
  • как только произойдет нагрузка, показатели изменятся.

Сегодня пьезоакселерометры – усовершенствованные приборы, которые могут быть высокочастотными, с сильной чувствительностью.

Альтернативный источник энергии посредством преобразователей

Одним из знаменитых и неисчерпаемых средств получения электричества является энергия волн. Такие станции монтируют непосредственно в водную среду. Это явление связано с солнечными лучами, которые нагревают массу воздуха, благодаря чему возникают волны. Вал данного явления имеет энергоемкость, которая определяется по силе ветра, ширине воздушных фронтов, продолжительности порывов.

Значение может колебаться на мелководье или достигать 100 кВт на один метр. Пьезоэлектрический преобразователь энергии волн работает по определенному принципу. Уровень воды поднимается посредством волны, в процессе воздух выдавливается из сосуда. Затем потоки пропускаются реверсирующейся турбиной. Агрегат вращается по определенному направлению, вне зависимости от движения волн.

Этот аппарат имеет положительную характеристику.

До сегодняшнего дня совершенствование конструкции не прогнозируется, потому что эффективность и принцип работы доказаны всеми существующими путями.

В процессе технического прогресса, возможно, будут построены плавучие станции.

Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь

Этот прибор устроен таким образом, что не требует дополнительных настроек. Он снабжен блоком памяти, который выдает технический результат. Относится к контрольно-измерительным аппаратам. Подобные устройства отличаются по типу, техническим характеристикам, которые составляются на основе данных о конструкции и предназначении с минимальными погрешностями. Все требования учитываются на основе конструкции.

Для всех подобных аппаратов предусмотрена стандартная схема создания: дефектоскоп, корпус, электроды, главный элемент, который скрепляют с основанием, жила, фольга и другие материалы. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь является полезной моделью. Он позволяет получать данные непосредственно с помощью звука, установленного на основании устройства.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 10 чел.
Средний рейтинг: 4.1 из 5.

Принцип работы пьезоэлемента

Ценю в людях честность, открытость. Люблю мастерить разные самоделки. Нравится переводить статьи. Ведь, кроме того, что узнаешь, что то новое еще и даришь людям возможность, окунуться в мир самоделок. Знаете ли вы, что можно производить электричество при ходьбе? В данной статье описывается научный эксперимент, который наглядно демонстрирует секрет обувных стелек , с помощью которых можно заряжать USB-устройства.


Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам. ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Фонарик из зажигалки с питанием от пьезоэлемента

Пьезогенераторы. Устройство и работа. Особенности и применение


Среди множества диэлектрических материалов встречаются и такие, которые обладают так называемым пьезоэффектом. На их поверхности могут возникать электрические заряды под влиянием деформации. Существует и обратный эффект, когда диэлектрики начинают деформироваться под действием внешнего электрического поля. Пьезоэлемент сам по себе не может считаться источником электроэнергии. Он всего лишь преобразует механическую энергию в электрическую, с очень низким КПД.

Однако, благодаря своим качествам, пьезоэлементы широко используются в технике, в первую очередь, как источники электрических разрядов. Пьезоэлектрические материалы по своей сути довольно простые и характеризуются всего лишь двумя физическими величинами — диэлектрической проницаемостью и пьезоэлектрическим модулем. От первой величины зависит емкость пьезоэлемента, а от пьезоэлектрического модуля — электрический заряд, образующийся на электродах, после того как к ним была приложена какая-то сила.

В пьезокерамике для описания процесса применяется три модуля в зависимости от расположения силы, действующей по отношению к полярности оси пьезоэлемента. Наиболее выраженный эффект проявляется в модуле d 33 , в котором первая цифра индекса означает направление полярной оси вдоль оси Z традиционной системы координат, а вторая указывает на направление действующей силы вдоль этой же оси. За счет этого пьезоэлемент с величиной модуля d 33 существенно превышает значение комбинаций с другими направлениями.

Именно эта величина характеризует материал, из которого он изготовлен. Независимо от приложенной силы и размеров самого элемента, при воздействии силы в 1 ньютон, на электродах будет образовываться один и тот же заряд. Из данной формулы видно, что в отличие от заряда, напряжение будет зависеть от размеров пьезоэлемента, поскольку емкость С связана с площадью электродов и расстоянием между ними.

Если в качестве примера взять емкость обычной зажигалки, равной 40 пикофарадам пф , то приложенная сила в 1 Н даст напряжение 6 В. Соответственно, если сила увеличится до Н кг , то полученное напряжение составит уже 6 кВ. Действие пьезоэлемента наиболее четко просматривается на примере зажигалки нажимного действия. При нажатии на клавишу, зажигалка выдает целую серию искр, что свидетельствует о наиболее удачном использовании пьезогенератора в данной конструкции.

Чтобы представить себе принцип работы, рекомендуется рассмотреть схему упрощенной модели этого устройства. Она выполнена в виде опоры с рычагом, создающим большое усилие, воздействующее на пьезоэлемент. Сами элементы представляют собой сплошные цилиндрические конструкции, на торцах которых расположены электроды. Они соприкасаются друг с другом, поэтому на них воздействует одинаковая сила. Ориентация каждого пьезоэлемента между собой выполнена таким образом, чтобы электроды соприкасающихся поверхностей имели один заряд, например, положительный, а противоположные концы — заряд с другим знаком.

Порядок подключения необходимо обязательно соблюдать, особенно при изготовлении подобного устройства своими руками. Под действием рычага электроды замыкаются, и возникает электрическое параллельное соединение каждого пьезоэлемента между собой.

От точки соприкосновения выводится токовод с закругленным наконечником, расположенным от металлической основы на определенном расстоянии. Во время нажатия на рычаг воздушный промежуток между основой и наконечником пробивается электрической искрой. Теперь уже понятно, как работает такая зажигалка. При дальнейшем нажатии усилие возрастает, что приводит к появлению второй и последующей искр. Это будет происходить до тех пор, пока пьезоэлементы не разрушатся полностью.

Любой пьезоэлемент можно использовать в современных технических устройствах разного назначения. Они применяются в качестве кварцевых резонаторов, миниатюрных трансформаторов, пьезоэлектрических детонаторах, генераторах частоты с высокой стабильностью и во многих других местах. Каждый прибор устроен таким образом, что в нем может использоваться не только кристаллический кварц, но и элементы из поляризованной пьезокерамики.

Однако пьезоэлемент не ограничивается одними лишь зажигалками. В настоящее время ведутся работы по решению задачи, как сделать использование этих материалов более продуктивным. Данный принцип достаточно давно применяется на танцевальных площадках и стоянках автомобилей, где под давлением происходит превращение механической энергии в электрическую. В перспективе возможно устройство более мощных энергодобывающих систем.

В настоящее время разрабатываются генераторы, обладающие небольшими размерами, основой которых служит нитрид алюминия, успешно заменивший традиционный цирконат-титанат свинца. Данное устройство по своей сути является беспроводным температурным датчиком, способным накапливать энергию от различных вибраций и передавать полученные данные через установленные промежутки времени. В настоящее время преобразователи на базе пьезоэлементов устанавливаются на реактивные самолеты.

Созданы экспериментальные светофоры, работающие от аккумуляторов, заряжающихся от колебаний воздуха, вызванных городским шумом. В будущем эти разработки позволят ликвидировать дефицит мощностей. С помощью пьезоэлементов станет возможно получать электричество в результате движения автомобилей по специально оборудованным трассам. Тротуары для пешеходов также внесут свой вклад в добычу электроэнергии.

Данное направление очень интересное и перспективное, привлекающее внимание ученых многих стран. Введение в электричество. Проводка и заземление. Освещение интерьера. Альтернативная энергия. Видеонаблюдение и домофоны. Щиты, шкафы и боксы. Электрические счетчики. Розетки и выключатели. Антенна и интернет. Реле, контакторы, датчики. Вентиляторы, конвекторы. Электрические измерения. Теплые полы и термостаты.

Трансформаторы тока. Книги по электрике. Радио- и электротеника. Услуги электрика в Москве и области. Электромонтаж квартир и домов. Содержание: Физические свойства пьезоэлемента Принцип работы Применение Среди множества диэлектрических материалов встречаются и такие, которые обладают так называемым пьезоэффектом.

Физические свойства пьезоэлемента Пьезоэлектрические материалы по своей сути довольно простые и характеризуются всего лишь двумя физическими величинами — диэлектрической проницаемостью и пьезоэлектрическим модулем. Принцип работы Действие пьезоэлемента наиболее четко просматривается на примере зажигалки нажимного действия.

Применение Любой пьезоэлемент можно использовать в современных технических устройствах разного назначения. Что такое защитное заземление. Расчет и подключение тепловой завесы. Ремонт квартир. Электро схемы. Электрика Введение в электричество Проводка и заземление Освещение интерьера Альтернативная энергия Электромонтаж Бытовая техника Провода и кабели Видеонаблюдение и домофоны Щиты, шкафы и боксы Электрические счетчики Автоматы, УЗО, Диф Розетки и выключатели Освещение Антенна и интернет Светодиоды Электроинструмент Реле, контакторы, датчики Вентиляторы, конвекторы Электрические измерения Теплые полы и термостаты Трансформаторы тока Электродвигатели Предохранители Книги по электрике Видеокурсы Электробезопасность Автоэлектрика Радио- и электротеника Полы и потолки разное.


Как работает механический кнопочный пьезоэлемент (пьеза), откуда электричество для искры?

Существуют однослойные, двухслойные и многослойные пьезокристаллы. Если их растянуть или сжать, они генерируют электричество. В —е года в СССР изучением пьезоэлектричества занимался Всесоюзный научно-исследовательский институт пьезооптического минерального сырья , который издавал ежегодные научные труды. Материал из Википедии — свободной энциклопедии.

Пьезоэлемент как источник высокого напряжения | all-audio.pro . Пьезоэлемент: применение и принцип работы.

Пьезо что можно сделать. Генератор из пьезоэлемента

Опыт показывает, что проводимость пьезоэлемента в цепи переменного тока, частота которого плавно изменяется в широких пределах, возрастает с ростом частоты и линейно зависит от последней, т. Однако закономерный емкостный характер проводимости нарушается на некоторых частотах и характеризуется резким ростом проводимости, вслед за которым следует её резкое падение. В момент, когда проводимость становится максимальной, её характер изменяется — она становится активной. Активный характер проводимости наблюдается также в момент, когда она минимальна. В промежутке между максимальным и минимальным значениями проводимость имеет индуктивный характер. Эти изменения проводимости имеют типично резонансный характер. На рисунке изображена полная проводимость пьезоэлемента Y в широком интервале частот F. В точках P резонанс и A антирезонанс проводимость имеет активный характер, между этими точками — индуктивный, а на частотах ниже точки P и выше точки A — емкостной. Резонансные явления в электрической цепи пьезоэлементов обусловлены резонансами его мехапических колебаний. Резонансные колебания в твердом упругом теле наблюдаются тогда, когда частота возбуждающей силы оказывается близкой к частоте его собственных колебаний.

Установки для исследования и контроля параметров пьезоэлементов Пьезо-П

Выходное напряжение с пьезокрис-талла усиливается, и через динамик мы слышим записанные звуки. Рассмотрим появление зарядов на гранях кристалла кварца, у которого пьезоэлектрический эффект достаточно сильно выражен. На рис. Ось X называется электрической осью, ось У—механической илинейтральной. Использование двух а иногда и больше пластин повышает выходную ЭДС, поскольку выходные сигналы пластин складываются.

Электрика и электрооборудование, электротехника и электроника — информация! С развитием технологий человечество начинает расходовать все меньше энергии понапрасну.

Пьезоэлектричество

Отправить комментарий. С момента своего появления в серийном производстве в году и до настоящего момента аккумуляторные топливные системы Common Rail СR находятся в процессе постоянного конструктивного совершенствования. Причем, технический уровень топливной аппаратуры такого типа оценивается по техническому уровню применяемых в ней топливных форсунок. В настоящее время фирмой Robert B OSCH ведется серийный выпуск уже третьего поколения топливной системы CR, отличительной особенностью которой является применение пьезоэлектрического преобразователя в цепи управления иглой форсунки. Помимо этого, такая форсунка характеризуется наличием устойчивого многофазового впрыскивания топлива, минимальными порциями предварительного впрыскивания, возможностью короткого промежутка времени между предварительным и основным впрыскиванием и компактным конструктивным решением. Важно отметить также, что по сравнению с электромагнитной форсункой форсунка с пьезоприводом имеет меньший расход топлива на управление и, следовательно, обладает большим КПД.

Принцип работы пьезоэлектрических резонаторов

Пьезоэлектрические форсунки находят сейчас все большее применение в топливных системах Common Rail у современных дизелей. Конструкторы получают инструмент для точной настройки двигателей, а автовладельцы и механики — букет финансовых и технических нюансов. Так в чем тут достоинства и в чем недостатки? Состоявшееся в конце девяностых внедрение системы Common Rail стало новой вехой в развитии двигателя Дизеля. Рядный топливный насос высокого давления ТНВД сменил магистральный насос, а гидравлические форсунки уступили место форсункам с электромагнитными клапанами, управляемыми электроникой. В отличие от прежней конструкции, где открывание иглы распылителя происходило только за счет давления, электрогидравлические форсунки работают несколько иначе. В состоянии покоя давление топлива на конусе иглы распылителя и в камере управляющего клапана, расположенного над иглой, оказывается одинаково, подпружиненная игла запирает сопла, и впрыска не происходит.

Принцип действия. Работа пьезоэлектрического датчика основана на физическом явлении, которое Слово «пьезо» по-гречески означает « давлю».

Пьезоэлектрические кристаллы проявляют пьезоэлектрический эффект. Этот эффект имеет два свойства:. Первый — прямой пьезоэлектрический эффект, который означает, что материал обладает способностью превращать механическую деформацию в электрический заряд. Второй — обратный эффект, при котором приложенный электрический потенциал преобразуется в механическую энергию деформации.

Регистрация Вход. Ответы Mail. Вопросы — лидеры Просвещение и лженауки : термины и понятия в русском и английском 1 ставка. Решите задачу по физике 1 ставка. Задача по физике 1 ставка.

Конструктивно пьезоэлемент представляет из себя пьезокерамику с нанесенными электродами. Пьезоэлементы могут быть разнообразной формы: в виде дисков, колец, трубок, пластин, сфер и др.

И вот мы спешим на помощь! Мы не будем углубляться в научные дискуссии о пьезо-датчиках, но всё же объясним базовые принципы и отличия их от обычных магнитных датчиков, которые мы все знаем и любим. Абсолютное большинство датчиков на электрогитарах — это магнитные звукосниматели. Независимо от того, активные они например, большинство EMG или пассивные большая часть Seymour Duncan , магнитные датчики работают по одному принципу. В них находится магнит или несколько магнитов, вокруг которых установлена обмотка. При звукоизвлечении ударе по струне струна вибрирует.

Разместить тендер на закупку. Рисунок 1- Uo — опорное напряжение, U — падение напряжения на пьезоэлементе, Ro -резистор, Z — комплексный импеданс пьезоэлемента или преобразователя. В установках реализован цифровой способ измерений, позволяющий возбуждать пьезоэлемент или преобразователь широкополосным сигналом, спектр которого охватывает заданную область частот.


Принцип работы пьезоэлектрических резонаторов | АО Пьезо

Опыт показывает, что проводимость пьезоэлемента в цепи переменного тока, частота которого плавно изменяется в широких пределах, возрастает с ростом частоты и линейно зависит от последней, т. е. имеет емкостный характер. Однако закономерный емкостный характер проводимости нарушается на некоторых частотах и характеризуется резким ростом проводимости, вслед за которым следует её резкое падение. В момент, когда проводимость становится максимальной, её характер изменяется — она становится активной. Активный характер проводимости наблюдается также в момент, когда она минимальна. В промежутке между максимальным и минимальным значениями проводимость имеет индуктивный характер. Эти изменения проводимости имеют типично резонансный характер.

На рисунке изображена полная проводимость пьезоэлемента (Y) в широком интервале частот (F). В точках P (резонанс) и A (антирезонанс) проводимость имеет активный характер, между этими точками — индуктивный, а на частотах ниже точки P и выше точки A — емкостной

Резонансные явления в электрической цепи пьезоэлементов обусловлены резонансами его мехапических колебаний. Резонансные колебания в твердом упругом теле наблюдаются тогда, когда частота возбуждающей силы оказывается близкой к частоте его собственных колебаний. Любой механический элемент характеризуется массой, упругостью и показателем, характеризующим необратимые энергетические потери, например трением или излучением колебаний во внешнюю среду. Известно, что механический элемент оказывает сопротивление воздействию внешней силы и в нём возникают реактивные силы (силы противодействия), обусловленные массой, упругостью, трением. Современная механика широко использует понятие механического сопротивления для решения различных механических задач, преимущественно касающихся колебаний реальных систем.

Каждый механический элемент (масса, упругость, трение) оказывает противодействие (реакцию) воздействующей на него силе, поэтому колебательная скорость их движения зависит не только от величины силы, но и от реакции механического элемента. Для твёрдых тел механическое сопротивление какого-либо элемента определяется как отношение силы к колебательной скорости. Поскольку реакции массы, упругости и трения при механических колебаниях имеют различный характер, механическое сопротивление имеет комплексный характер. В случае внешней периодической силы механическое сопротивление, определяемое массой, возрастает с частотой и равно произведению массы на круговую частоту. Механическое сопротивление, определяемое упругостью, наоборот, обратно пропорционально круговой частоте и гибкости элемента. На низких частотах реакция массы элемента незначительна и может не приниматься в расчёт, а реакция определяется его упругостью. С ростом частоты реакция упругости уменьшается, а реакция массы возрастает и, наконец, наступает момент, когда на некоторой частоте механические сопротивления массы и упругости оказываются равны и компенсируют друг друга. Формально компенсация объясняется различием знаков этих сопротивлений. Физически же компенсация объясняется тем, что на низких частотах внешняя сила преодолевает только упругие силы и смещения совпадают по фазе с внешней силой. Когда же частота внешней силы велика, ей приходится преодолевать преимущественно инерцию массы, сообщая последней ускорение. При этом фаза ускорения совпадает с фазой внешней силы, фаза же смещений оказывается противоположной фазе внешней силы (ускорение является второй производной смещений по времени). Следовательно, направления реакций массы и упругости противоположны.

Известно, что добротность Q механических колебательных систем существенно больше, чем электрических колебательных контуров, и характеризуется величинами от тысяч до сотен тысяч. Поэтому амплитуды механических колебаний пьезоэлемента при механическом резонансе в Q раз больше амплитуды его колебаний вне области резонанса. Электрические величины, характеризующие колебания пьезоэлемента, например электрический ток, связаны прямой зависимостью с механическими напряжениями и деформациями. В момент механического резонанса соответственно возрастает ток через пьезоэлемент и частотная характеристика тока приобретает резонансный характер, точно соответствующий характеристике механических резонансных колебании. Такова, в общем, картина резонансных явлений, наблюдаемых в пьезоэлектрическом резонаторе, объясняющая возникновение резонанса в электрической цепи.

Резонансные явления в электрической цепи резонатора имеют место для тех видов механических колебаний, которые возбуждаются пьезоэлектрически. Если частота внешнего электрического напряжения совпадает с частотой собственных механических колебаний, которые пьезоэлектрически не возбуждаются, то резонанса в электрической цепи наблюдаться не будет или он будет выражен очень слабо и обусловлен наличием механической связи с колебанием, возбуждаемым пьезоэлектрически. Однако при близости такого резонанса к частоте резонанса, возбуждаемого пьезоэлектрически, связь возрастает и побочный резонанс оказывается достаточно интенсивным.

Если бы потери механического или электрического происхождения в резонаторе отсутствовали, то и механические напряжения в момент резонанса достигли бы бесконечно большого значения и резонатор был бы разрушен. Однако реально механические и электрические потери всегда существуют и такого явления обычно не наблюдается. Ток в цепи резонатора при резонансе всегда имеет конечное значение и активный характер, определяемый наличием потерь.

В большинстве случаев пьезоэлементы имеют только два электрода и резонаторы с такими пьезоэлементами являются электрическими двухполюсниками. Но в ряде случаев в резонаторах используют пьезоэлемент с большим числом электродов, имеющих отдельные выводы, например с четырьмя электродами. Такие резонаторы с многоэлектродными пьезоэлементами следует рассматривать как электрические многополюсники. Резонаторы с четырехэлектродными пьезоэлементами достаточно часто используют в генераторах и фильтрах, так как они позволяют заменить два резонатора на одну частоту одним четырехполюсным, устранить нежелательные кондуктивные связи, использовать сдвиг фаз на 180° между двумя парами выводов, использовать трансформацию напряжения и преобразование сопротивления.

что можно сделать?. Обсуждение на LiveInternet

Дмитрий Левкин

  • Пьезоэлектрический эффект
  • Пьезоэлектрические материальные уравнения
  • Свойства пьезокерамики
  • Производство пьезоэлементов
  • Применение пьезокерамики

Пьезоэлемент

— электромеханический преобразователь, изготавливаемый из пьезоэлектрических материалов, определенной формы и ориентации относительно кристаллографических осей, с помощью которого механическая энергия преобразуется в электрическую (прямой пьезоэффект), а электрическая в механическую (обратный пьезоэффект).

Конструктивно пьезоэлемент представляет из себя пьезокерамику с нанесенными электродами. Пьезоэлементы могут быть разнообразной формы: в виде дисков, колец, трубок, пластин, сфер и др. Для вибраторов и генераторов пьезоэлементы объединяют в пьезостек, чтобы достичь лучших характеристик.

Сменить цвет

Колебания пьезоэлемента

Диаметр: 10 мм Толщина: 1 мм Материал: ЦТС-26 Напряжение: 5В Частота возбуждения: 1МГц Масштаб колебаний: 30000:1

Посмотреть колебания

Остановить колебания

Рисунок — Колебание свободного пьезоэлемента под действием напряжения (обратный пьезоэффект)

Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрические вещества (пьезоэлектрики

), в частности пьезокерамика, имеет то свойство, что при деформации под действием внешнего механического давления на их поверхности возникают электрические заряды. Этот эффект называется
прямым пьезоэлектрическим эффектом
и был открыт в 1880 г. братьями Кюри.

Справка: Первая статья Жака и Пьера Кюри о пьезоэлектричестве была представлена Минералогическому обществу Франции (Societe mineralogique de France) на сессии 8 Апреля 1880 года и позже Академии наук (Academie des Sciences) на сессии 24 августа 1880 года. Пьер и Жак Кюри впервые открыли прямой пьезоэлектрический эффект у кристалла турмалина

. Они заметили, что если оказывать механическое давление на кристалл в определенном направлении, на противоположных сторонах кристалла возникают электрические заряды пропорциональные давлению и противоположной полярности. Позже они открыли подобный эффект у кварца и других кристаллов . В 1880 году Пьеру Кюри был только 21 год [9].

Вскоре после этого (в 1881 г.) был подтвержден и обратный пьезоэффект

, а именно что такое вещество, расположенное между двумя электродами, реагирует на приложенное к нему электрическое напряжение изменением своей формы. Первый эффект в настоящее время используется для измерений, а второй – для возбуждения механических давлений, деформаций и колебаний.

Более детальные исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойством элементарной ячейки структуры материала. При этом элементарная ячейка является наименьшей симметричной единицей материала, из которой путем ее многократного повторения можно получить микроскопический кристалл. Было показано, что необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в элементарной ячейки.


Рисунок 1 – Элементарная ячейка цирконата титоната свинца (ЦТС) при температуре выше точки Кюри (слева) и при температуре ниже точки Кюри (справа)

Здесь можно кратко пояснить пьезоэлектрический эффект

на примере титаната бария, часто применяемой пьезоэлектрической керамики со сравнительно простой конструкцией элементарной ячейки. Титанат бария ВаТiO3, как и многие другие пьезокерамические вещества, аналогичен по структуре перовскиту (СаТiО3), по которому и назван этот класс материалов. Элементарная ячейка при температурах выше, критической, которая называется также точкой Кюри, является кубической. Если температура ниже этой критической, то элементарная ячейка тетрагонально искажается по направлению к одной из кромок. В результате изменяются и расстояния между положительно и отрицательно заряженными ионами (рисунок 1, для ВаТiO3 вместо Pb — Ba). Смещение ионов из их первоначального положения очень мало: оно составляет несколько процентов параметра элементарной ячейки. Однако такое смещение приводит к разделению центров тяжести зарядов внутри ячейки, так что образуется электрический дипольный момент. По энергетическим условиям диполи соседних элементарных ячеек кристалла упорядочиваются по областям в одинаковом направлении, образуя так называемые домены.


Рисунок 2 – Неупорядоченная поляризация (слева) и упорядоченная поляризация доменов при наложениии сильного электрического поля (справа)

Направления поляризации доменов распределяются в поликристаллической структуре по статическому закону. Таким образом, неупорядоченные скопления отдельных микрокристаллов в структуре вещества, образующиеся только в спеченной керамики, в макроскопическом смысле вообще не могут давать никакого пьезоэлектрического эффекта. Только после так называемого процесса поляризации, в котором при наложении сильного электрического поля на керамику происходит выравнивание возможно большего числа доменов параллельно друг другу, удается использовать пьезоэлектрические свойства элементарных ячеек. Поляризация обычно проводится при температуре немного ниже температуры Кюри, чтобы облегчить ориентацию доменов. После охлаждения это упорядоченное состояние остается стабильным.

Современные средства проектирования позволяют рассчитать / промоделировать отдельно пьезоэлемент или пьезоэлектрический преобразователь целиком. По согласованию с Инженерными решениями Вы можете заказать расчет парметров пьезоэлектрического преобразователя

Механическое сжатие или растяжение, действующее на пьезоэлектрическую пластину параллельно направлению поляризации, приводит к деформации всех элементарных ячеек. При этом центры тяжести зарядов взаимно смещаются внутри элементарных ячеек, которые расположены теперь преимущественно параллельно, и в результате получается заряд на поверхности [2].

Принцип работы

Действие пьезоэлемента наиболее четко просматривается на примере зажигалки нажимного действия. При нажатии на клавишу, зажигалка выдает целую серию искр, что свидетельствует о наиболее удачном использовании пьезогенератора в данной конструкции. Чтобы представить себе принцип работы, рекомендуется рассмотреть схему упрощенной модели этого устройства. Она выполнена в виде опоры с рычагом, создающим большое усилие, воздействующее на пьезоэлемент.

Сами элементы представляют собой сплошные цилиндрические конструкции, на торцах которых расположены электроды. Они соприкасаются друг с другом, поэтому на них воздействует одинаковая сила. Ориентация каждого пьезоэлемента между собой выполнена таким образом, чтобы электроды соприкасающихся поверхностей имели один заряд, например, положительный, а противоположные концы – заряд с другим знаком. Порядок подключения необходимо обязательно соблюдать, особенно при изготовлении подобного устройства своими руками.

Под действием рычага электроды замыкаются, и возникает электрическое параллельное соединение каждого пьезоэлемента между собой. От точки соприкосновения выводится токовод с закругленным наконечником, расположенным от металлической основы на определенном расстоянии. Во время нажатия на рычаг воздушный промежуток между основой и наконечником пробивается электрической искрой. Теперь уже понятно, как работает такая зажигалка. При дальнейшем нажатии усилие возрастает, что приводит к появлению второй и последующей искр. Это будет происходить до тех пор, пока пьезоэлементы не разрушатся полностью.

Пьезоэлектрические материальные уравнения

Поляризованные пьезоэлектрические материалы характеризуются несколькими коэффициентами и соотношениями. Четыре возможные формы для пьезоэлектрических материальных уравнений показаны ниже [13]:

  • Форма механическое напряжение — заряд
  • Форма механическое напряжение — электрическое напряжение
  • Форма деформация — заряд
  • Форма деформация — электрическое напряжение

    ,

  • где {T}
    — 6×1 вектор механического напряжения, Па,
  • {S}
    — 6×1 вектор механической относительной деформации (упругая деформация), м/м,
  • {D}
    — 3×1 вектор электрической индукции (электрическое смещение), Кл/м2,
  • {E}
    — 3×1 вектор напряженности электрического поля, В/м,
  • [cE/D]
    — 6×6 матрица коэффициентов упругой жесткости (при постоянной E/D), Н/м2
  • [sE/D]
    — 6×6 матрица коэффициентов упргой поддатливости (при постоянной E/D), м2/Н,
  • [εS/T]
    — 3×3 матрица диэлектрической проницаемости (для S = постоянная/T = 0), Ф/м,
  • [e]
    — 3×6 матрица пьезоэлектрических коэффициентов механического напряжения, Кл/м2 или Н/Вм,
  • [h]
    — 3×6 матрица пьезоэлектрических коэффициентов деформации, Н/Кл или В/м,
  • [d]
    — 3×6 матрица пьезоэлектрических коэффициентов заряда (относительной деформации), Кл/Н или м/В,
  • [g]
    — 3×6 матрица пьезоэлектрических постоянных электрического напряжения (давления), м2/Кл или Вм/Н,
  • t
    (верхний индекс) — транспонированная матрица

Советы по сборке схемы

Лучше использовать короткий высококачественный экранированный кабель для соединения пьезодиска с усилителем. Не забудьте внешний металлический обод соединить с заземлением. Это снижает влияние нежелательного гула и других электрических шумов и делает выходной сигнал более чистым. Кроме того, размещение и остальной электроники в заземленном металлическом корпусе значительно снизит фон помех 50 Гц. Для крепления пьезодиска к поверхности можно использовать двусторонний скотч или даже каплю «суперклея», который обеспечивает жесткое соединение и ещё лучший результат, чем клейкая лента. В общем, сборка не сложная.

Форум

Производство пьезоэлементов

Большинство составов пьезокерамики основано на химических соединениях с формулой АВО3 (напр., BaTiO3, РbТiO3) с кристаллической структурой типа перовскита и различных твёрдых растворов на их основе (например, системы BaTiO3 — CaTiO3, BaTiO3 — CaTiO3 — CoCO3, NaNbO3 — KNbO3). Особенно широко используются в качестве пьезоэлектрических материалов составы системы РbТiO3 — PbZrO3 (т. н. система PZT, или ЦТС). Практический интерес представляет также ряд соединений с формулой АВ2О6, напр. PbNb2O6, имеющих весьма высокую Кюри точку (~570 °С), что позволяет создавать пьезоэлементы для работы при высоких температурах.


Рисунок 7 – Порошок для изготовления пьезоэлемента

Процесс изготовления пьезокерамики

разделяется на несколько этапов. При осуществлении синтеза заданного сегнетоэлектрического соединения исходное сырье (окислы или соли, например, двуокись титана и окись бария) измельчается и смешивается в количествах, соответствующих стехиометрическому составу соединения, а затем подвергается термической обработке при температурах 900 – 1300 °С, в процессе которой происходит химический синтез. Используется также так называемый метод осаждения из водных растворов, при котором температура синтеза благодаря идеальному перемешиванию компонентов снижается до 750 – 1000 °С. Из порошкообразного синтезированного материала прессованием (а также литьём под давлением) получаются заготовки необходимой конфигурации и размеров для будущих пьезоэлементов, которые затем подвергаются обжигу по строго определенному температурному режиму, в большой степени определяющему свойства пьезокерамики. Механическая обработка детали после обжига обеспечивает ей точно заданную форму и размеры. На деталь наносятся электроды из серебра, никеля, платины и др., причем наибольшее распространение получил метод вжигания серебра. Для поляризации керамики к электродам подводится электрическое напряжение (напряжённость поля Е составляет от 0,5 до 3 кВ/мм в зависимости от химического состава и метода поляризации). С целью уменьшения напряженности поля Е при поляризации образец нагревают до температур, близких к точке Кюри (т. к. при этом домены обладают большей подвижностью), а затем медленно охлаждают в присутствии поля. Пьезокерамике свойственно т. н. старение, т. е. изменение её параметров (диэлектрической проницаемости, пьезомодулей) со временем, особенно заметное в первые несколько суток после изготовления и поляризации образцов, которое обусловлено изменением как механических напряжений на границах между зёрнами, так и величины остаточной поляризации [8].

Ломать, не делать

Разряд тока, произведенный пьезоэлементом зажигалки, может сломать смартфон. Достаточно будет 8-12 раз «прощелкать» металлические разъемы гаджета, вход для наушников, оголенные части платы. При таком воздействии телефон откажется работать. При этом никаких видимых повреждений или оплавленных элементов не будет. Теперь вы можете с радостью нести сломанный гаджет в салон и требовать возврата денег. В сервисном центре ничего не должны понять.

Но пьезоэлементом газовой зажигалки нельзя вывести из строя обыкновенные «звонилки», сработанные в КНР. Не знаю почему, но даже после 50 ударов слабым током кнопочный телефон продолжил исправно функционировать.

Применение пьезокерамики

Пьезоэлектрические материалы нашли применение в широком ряде областей, таких как медицинские инструменты, контроль промышленных процессов, системах производства полупроводников, бытовых электрических приборах, системах контроля связи, различных измерительных приборах и в других областях. Коммерческие системы, которые используют пьезоэлектрические материалы – помпы, швейные машины, датчики (давления, обледенения, угловых скоростей и т.д.), оптические инструменты, лазерные принтеры, моторы для автофокусировки камер и многие другие. При этом область применения данных материалов постоянно растет. Применение пьезоэлемента

обычно сводится к четырем категориям: сенсоры, генераторы, силовые приводы, и преобразователи.

В генераторах

, пьезоэлектрические материалы могут генерировать напряжение, которого достаточно для возникновения искры между электродами, и таким образом могут быть использованы как электроды для воспламенения топлива, для газовых плит и для сварочного оборудования. Альтернативно, электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектрическими элементами, может накапливаться. Такие генераторы являются превосходными твердыми аккумуляторными батареями для электронных схем.

В сенсорах

, пьезоэлектрические материалы преобразуют физические параметры, такие как ускорение, давление и вибрации в электрический сигнал.

В силовых приводах

, пьезоэлектрические материалы преобразуют электрический сигнал в точно контролируемое физическое смещение, четко устанавливая точность механических инструментов, линз и зеркал.

В преобразователях

, пьезоэлектрические преобразователи могут, как генерировать ультразвуковой сигнал из электрической энергии, так и конвертировать приходящие механические колебания в электрические. Пьезоэлектрические приборы проектируются для измерения расстояний, скорости потока, и уровня жидкости. Преобразователи так же используются, чтобы генерировать ультразвуковые вибрации для очистки, сверления, сварки, размельчения керамики и для медицинской диагностики [1].

Ультразвук Преобразователи Проектирование

    Библиографический список

  • Ranier Clement Tjiptoprodjo. On a Finite Element Approach to Modeling of Piezoelectric Element Driven Compliant Mechanisms.- Saskatchewan, Canada.: University of Saskatchewan Saskatoon, April 2005
  • Й.Крауткремер, Г.Крауткремер. Справочник. Ультразвуковой контроль материалов.-Москва.: Металлургия, 1991.
  • David H. Johnson. Simulation of an ultrasonic piezoelectric transducer for NASA/JPL Mars rover.- PA, USA.: Cybersonic, Inc. of Erie, 2003.
  • www.piezo.com
  • ОСТ 11 0444-87 «Материалы пьезокерамические»
  • Tokin. Multilayer Piezoelectic Actuators. User’s Manual, Tokin Corporate Publisher.: 1996.
  • Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Т.I. Механика.- Москва.:1979.
  • Голямина И.П. Ультразвук.-Москва.: из-во «Советская энциклопедия», 1979
  • Jan Tichy, Jiry Erhart, Erwin Kittinger, Jana Privratska. Fundamentals of Piezoelectric Sensorics.- Heidelberg, Dordrecht, London, New York.: Springer, 2010

3D модели Измеритель АЧХ

О предприятии


Научно-производственное предприятие ООО «Пьезоэлектрик», создано в 1992 году на базе НКТБ «Пьезоприбор» РГУ, являющегося на протяжении 35 лет основным разработчиком и поставщиком пьезоэлектрических преобразователей для ракетно-космической техники страны. Разработки ООО «Пьезоэлектрик» основаны на современной отечественной и зарубежной элементной базе, а также на оригинальных технологиях пьезокерамического производства и проводятся в тесном сотрудничестве с НКТБ «Пьезоприбор». В настоящее время мы выпускаем наиболее широкую номенклатуру общепромышленных датчиков давления, включая датчики абсолютного, избыточного, гидростатического давления, разрежения, давления-разрежения и разности давлений, в том числе недорогие и интеллектуальные с развитым сервисом, с низким энергопотреблением и высокотемпературные, погружные и для систем управления аэростатами, обеспечивая все востребованные промышленностью диапазоны измерений. Мы гордимся тем, что на основе наших пьезоэлектрических датчиков разработаны 11 типов вихревых расходомеров воды, газа и пара, включенных в государственный реестр средств измерения РФ и серийно выпускаемых на 7 предприятиях страны, в том числе такими уважаемыми, как ОАО «Сибнефтеавтоматика», ЗАО «Даймет», ОАО «Опытный завод Электрон», ООО «Глобус», ЗАО «Взлет», ООО «Ирвис», ЗАО «Метран».
Приборы этих предприятий, созданные с применением наших датчиков давления, по техническому уровню не уступают лучшим зарубежным образцам, а по некоторым характеристикам и превосходят их, обеспечивая около 90% российского рынка вихревых средств учета газа и пара среди отечественных производителей. И в этих успехах есть наш скромный вклад. Мы выпускаем вибрационные сигнализаторы уровня, превосходящие по предельным рабочим давлениям лучшие отечественные образцы, и благодаря этому применяемые в системах управления магистральными газопроводами. Мы создаем оборудование, ориентируясь на потребности наших Заказчиков и мировые тенденции развития. Наши приборы с успехом используются в системах коммерческого учета энергоресурсов и автоматизации технологических процессов на предприятиях различных отраслей промышленности, в том числе в энергетике, машиностроении, металлургии, газовой, нефтеперерабатывающей, пищевой и других во всех регионах России от Владивостока до Калининграда и за рубежом.

Производство

Калибровка датчиков давления 415Участок механической обработки пьезоэлементовУчасток поляризации пьезоэлементовучасток измерения характеристик пьезоэлементов
Участок серебрения пьезоэлементовУчасток обжига пьезоэлементовСбыт и маркетингМонтаж печатных плат

2.3. Взаимосвязь между пьезокоэффициентами в кристалле

Уравнения пьезоэффекта (2.5) и (2.10), характеризующие различные связи между механическими параметрами σ и x и электрическими параметрами P и E, могут быть для наглядности представлены в виде диаграммы, которая называется «пьезоэлектрическим квадратом» (рис. 4). В вершинах этого квадрата расположены σ, x, P и E. В левых вершинах квадрата находятся механическое напряжение σ и деформация x, а их линейная связь представлена прямой линией, характеризующей различное представление закона Гука

xm = s mn σn ,

σn= cmnxm , (2.11)

где s – упругая податливость, c – упругая жесткость.

Правые вершины квадрата содержат электрическое поле E и поляризацию P, а соединяющая их линия характеризует электрическое взаимодействие

P = εE, (2.12)

где – диэлектрическая восприимчивость.

Горизонтальные линии диаграммы, а также диагонали квадрата характеризуют все уравнения прямого и обратного пьезоэлектрического эффектов. Возле прямых линий – связей указаны соответствующие пьезокоэффициенты. Способ пользования квадратом следующий: физическая величина, стоящая внутри кружка в вершине квадрата, равна расположенному около нее пьезокоэффициенту, умноженному на величину, изображенную в другом кружке в противоположном конце стрелки. Например, верхней линии пьезоэлектрического квадрата соответствуют уравнения пьезоэффекта P = dσ и σ = hP, а нижней линии – уравнения пьезоэффекта x = dE и E = hx.

Приведенные выше соотношения позволяют установить связь между различными пьезоэлектрическими коэффициентами din, eim, gin, и hjmкристалла через упругие (сmnили smn) и диэлектрические (ij) параметры пьезоэлектрика. Например, из (2.2) следует Pi= dinn, а из (2.11) можно записатьn= сmnxm, откуда

Pi = dincmnxm. (2.13)

Сравнивая (3.13) с (3.5), получаем одно из уравнений связи между коэффициентами

eim = dincmn . (2.14)

В этом и других подобных соотношениях необходимо учитывать при каких электрических условиях определены сmn или smn: для короткозамкнутого (Е = 0) или для разомкнутого (D=0) пьезоэлектрика, поскольку сЕmn = сDmnи sEmn = sDmn. В другие соотношения между пьезокоэффициентами входят компоненты тензора ij, которые различаются для механически свободных (ij, т.е. при  = 0) и для зажатых кристаллов и текстур (хij, т.е. при х = 0).

В соотношение (2.14) при определении пьезомодуля din из прямого пьезоэффекта с учетом электрически свободного кристалла упругая жесткость должна входить с индексом Е. Это означает, что её определяют при Е = 0. Следовательно, приведенное соотношение должно быть записано в виде


. (2.15)

При определении пьезокоэффициента eim из прямого пьезоэффекта пьезоэлектрик также электрически свободен (Е = 0), так что в другом уравнении связи пьезокоэффициентов упругая податливость также должна записываться с индексом Е, т.е.


. (2.16)

Выведем еще одно соотношение связи между пьезокоэффициентами. Согласно (2.10) для обратного пьезоэффекта имеем хm= gmiPi, но так как согласно (2.2) Pi= ijEj , то можно записать


. (2.17)

Сравнивая (2.17) с (3.10) и учитывая условия измерения, получаем


. (2.18)

Аналогичным образом можно получить и другие соотношения между пьезоэлектрическими коэффициентами с учетом условий определения диэлектрических и упругих параметров. Приведем соотношения для всех пьезокоэффициентов, в том числе (2.15), (2.16) и (2.18)

; (2.19)

; (2.20)

(2.21)

. (2.22)

Отметим, что механические и электрические параметры кристалла могут быть измерены при адиабатических и изотермических условиях. Первый случай реализуется в экспериментах при высокочастотных измерениях, а второй – при статических или квазистатических измерениях. Поэтому следует различать csmn и cTmn, ssmn и sTmn, sij и Tij соответственно. Эти различия будут касаться и пьезомодулей dsinи dTin , а также других пьезоэлектрических коэффициентов. Эти различия в зависимости от условий измерения в адиабатических и изотермических режимах невелики для линейных диэлектриков. Например, величины ssmn и sTmn отличаются на ~ 1 %, причем ssmn < sTmn , а различие в пьезомодулях dsinи dTin составляет ~ 0,1 %, а в величинах sij и Tij и того меньше. Однако для сегнетоэлектриков, особенно вблизи температуры фазового перехода, разницей в sij и Tij пренебречь нельзя. Существенно при этом могут отличаться значения всех пьезомодулей, измеренных при постоянной энтропии или постоянной температуре.

История [ править | править код ]

В 1950—1960-е года в СССР изучением пьезоэлектричества занимался Всесоюзный научно-исследовательский институт пьезооптического минерального сырья, который издавал ежегодные научные труды.

Конструктивно пьезоэлемент представляет из себя пьезокерамику с нанесенными электродами. Пьезоэлементы могут быть разнообразной формы: в виде дисков, колец, трубок, пластин, сфер и др. Для вибраторов и генераторов пьезоэлементы объединяют в пьезостек, чтобы достичь лучших характеристик.

Описание и свойства [ править | править код ]

Пьезоэлектрики — кристаллы (пьезокристаллы), которые обладают (наделены) свойством при сжатии продуцировать электрический заряд (прямой пьезоэффект) или обратным свойством под действием электрического напряжения изменять форму: сжиматься/расширяться, скручиваться, сгибаться (обратный пьезоэффект).

Пьезоэлектричество открыто братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880—1881 гг. [1]

Исполнительные устройства — конвертируют электрическую энергию в механическую.

Сенсоры (датчики, генераторы), наоборот, конвертируют механическую энергию в электрическую.

Существуют однослойные, двухслойные и многослойные пьезокристаллы.

Однослойные — под воздействием электричества изменяются в ширину, длину и толщину. Если их растянуть или сжать, они генерируют электричество.

Двухслойные — могут быть использованы как однослойные, могут сгибаться или удлиняться. «Сгибатели» создают наибольшую величину перемещения относительно других видов, а «расширители», будучи более упругими, развивают гораздо большее усилие при гораздо меньшем перемещении.

Многослойные — развивают наибольшую силу при минимальном перемещении (изменении формы).

Описание и свойства [ править | править код ]

Пьезоэлектрики — кристаллы (пьезокристаллы), которые обладают (наделены) свойством при сжатии продуцировать электрический заряд (прямой пьезоэффект) или обратным свойством под действием электрического напряжения изменять форму: сжиматься/расширяться, скручиваться, сгибаться (обратный пьезоэффект).

Пьезоэлектричество открыто братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880—1881 гг. [1]

Исполнительные устройства — конвертируют электрическую энергию в механическую.

Сенсоры (датчики, генераторы), наоборот, конвертируют механическую энергию в электрическую.

Существуют однослойные, двухслойные и многослойные пьезокристаллы.

Однослойные — под воздействием электричества изменяются в ширину, длину и толщину. Если их растянуть или сжать, они генерируют электричество.

Двухслойные — могут быть использованы как однослойные, могут сгибаться или удлиняться. «Сгибатели» создают наибольшую величину перемещения относительно других видов, а «расширители», будучи более упругими, развивают гораздо большее усилие при гораздо меньшем перемещении.

Многослойные — развивают наибольшую силу при минимальном перемещении (изменении формы).

Пьезогенераторы. Устройство и работа. Особенности и применение

С развитием технологий человечество начинает расходовать все меньше энергии понапрасну. Появились солнечные панели, ветровые электростанции, солнечные концентраторы, пьезогенераторы, суперконденсаторы и иные устройства, которые помогают людям получать альтернативную энергию и сохранять ее. Большинство из этих устройств уже используются в повседневной жизни.

Но наука не стоит на месте, в скором времени можно будет получать энергию с помощью повседневных и малозначительных движений. Это можно будет сделать при помощи пьезогенераторов. Ее вполне хватит, чтобы быстро зарядить телефон или плеер. Могут появиться и такие пьезогенераторы, которые будут подзаряжать, к примеру, наручные часы при помощи возбуждения, которое передается сердцебиением.

Устройство

В последние годы было создано несколько опытных образцов пьезогенераторов для различного применения. Они могут быть объединены в два различных класса, которые отличаются по типу колебаний, продольных и поперечных.

Пьезогенератор, работающий по продольной схеме колебаний. В данном устройстве одиночный пьезоэлемент монтируется в подкладку обуви, он позволяет генерировать определенную мощность энергии при быстром передвижении, к примеру, при беге человека. Данное устройство изобретено в техническом университете Луизианы и был выполнен в виде специального спирального пластинчатого пьезоэлемента.

На данный момент обеспечить надежность и долговечность подобного устройства затруднительно в виду хрупкости пьезокерамического материала. Однако данная идея может оказаться продуктивной при использовании гибких пьезополимерных пластин. Но подобные материалы на данный момент находятся на стадии исследований.

Не менее перспективны пьезогенераторы, работающие на изгибных колебаниях. Они также могут отличаться своей конфигурацией и конструктивным исполнением.

Для источников питания сравнительно большой мощности созданы опытные образцы макропьезогенераторов самых разных конструкций. К самым продвинутым разработкам подобного класса устройств можно отнести экспериментальную систему накопителей энергии, созданную на основе пьезогенераторов, которые вмонтированы в настил пола у билетных терминалов на входе в станции метро Marunouchi (Токио).

Известно устройство взрывного пьезогенератора, который включает:
  • Устройство инициирования:
  • Генератор ударной волны:
  • Пьезоэлектрический преобразователь, выполненный из набора пьезопластин, соединенных параллельно:
  • Электроды, которые нанесены на противоположные грани пьезопластин, расположены перпендикулярно выходной поверхности генератора ударной волны:
  • Блок пьезопластин размещен в цилиндрический объем, у которого торцевая часть совпадает с поверхностью генератора ударной волны:
  • Генератор ударной волны выглядит как аксиально симметричная конструкция, она выполнена из слоя взрывчатого вещества, конического алюминиевого лайнера и конической алюминиевой крышки.
Принцип действия

Пьезоэффект, который применяется в пьезогенераторах, заключается в том, что в устройстве имеется специальный диэлектрик, к которому прикладываются механические напряжения. В результате диэлектрик на двух разных концах создает разницу потенциалов. В итоге, создавая давление на подобный пьезоэлемент, можно на выходе получить электрическое напряжение определенной величины.

Пьезоэффект также может вызывать и обратное преобразование, то есть обеспечить превращение электрической энергии в механическую, к примеру, для создания звуковых излучателей. По типу применяемого соотношения между вектором поляризации пьезоэлемента и направлением механических колебаний пьезогенераторы можно разделить на классы с поперечным и продольным направлением механического воздействия.

Если рассматривать физику процессов, которые происходят в пьезоэлектрике, подробней, то все выглядит довольно просто. Для этого нужно только понимать принципы генерации энергии пьезоэлектрическими материалами:
  • При механическом воздействии на пьезоэлемент наблюдается смещение атомов в его материале, то есть в несимметричной кристаллической решетке.
  • Данное смещение приводит к появлению электрического поля, которое приводит к индукции зарядов на электродах пьезоэлемента.

В отличие от стандартного конденсатора, обкладки которого способны сохранять заряды весьма долго, индуцированные заряды пьезогенератора сохраняются до момента, пока не перестает действовать механическая нагрузка. Именно в течение данного периода от элемента можно получать энергию. Как только нагрузка снимается, индуцированные заряды исчезают.

Явление пьезоэлектричества открыто братьями Пьером и Джексоном Кюри в 1880 году, с того времени оно широкое распространение в измерительной технике и радиотехнике. Термин «пьезогенераторы» характеризует лишь направление преобразования энергии, а не эффективность превращения. Именно с явлением, связанным с генерацией электричества в случае механического воздействия, заинтересовались инженера и изобретатели в последние годы.

Начали появляться сообщения о возможностях получения электрической энергии при помощи воздействия разной механической энергии:
  • Движение волн и ветра.
  • Воздействие уличного шума.
  • Нагрузки от перемещения машин и людей.
  • Сердцебиение и так далее.

На основе всех этих вариантов стали придумываться различные изобретения. Многие из них уже нашли применение, а некоторые на данный момент находятся в планах, так как технологии не достигли требуемого уровня.

Применения и особенности
На текущий момент известно несколько вариантов практического применения пьезогенераторов в:
  • Пьезозажигалках с целью высокого напряжения на специальном разряднике от движения пальца. Сегодня любой курильщик может носить в кармане собственную «электростанцию».
  • Качестве чувствительного элемента в приемных элементах сонаров, микрофонах, головках звукоснимателя электрофонов, гидрофонах.
  • Контактном пьезоэлектрическом взрывателе, к примеру, к выстрелам гранатомета РПГ-7.
  • Датчиках в виде чувствительного к силе элемента, к примеру, датчиках давления газов и жидкостей, силоизмерительных датчиках и так далее.
Обратный пьезоэлектрический эффект может применяться в:
  • Пьезокерамических излучателях звука, к примеру, музыкальные открытки, всевозможные оповещатели, которые используются в самых разных бытовых устройствах от стандартных наручных часов до техники на кухне.
  • Системах сверхточного позиционирования, к примеру, позиционер перемещения головки винчестера, в сканирующем туннельном микроскопе в системе позиционирования иглы.
  • Излучателях гидролокаторов (сонарах).
  • Ультразвуковых излучателях для ультразвуковой гидроочистки (промышленные ультразвуковые ванны, ультразвуковые стиральные машины).
  • Пьезоэлектрических двигателях.
  • Струйных принтерах для подачи чернил.
  • Адаптивной оптике с целью изгиба отражающей поверхности деформируемого зеркала.
Обратный и прямой эффект пьезогенераторов одновременно используются в:
  • Датчиках на специальных поверхностных акустических волнах.
  • Ультразвуковых линиях задержки специальных электронной аппаратуры.
  • Приборах на эффекте специальных поверхностных акустических волн.
  • Пьезотрансформаторах с целью изменения напряжения высокой частоты.
  • Кварцевых резонаторах, применяемых в качестве эталона частоты.

Большинство из применяемых пьезогенераторов вырабатывают небольшой ток. Отдельные пьезоэлементы могут генерировать высокое напряжение, которое пробивает разрядный промежуток, затем ток поступает на выпрямитель, после чего в накопительное устройство, к примеру, ионистор.

Достоинства и недостатки
Среди преимуществ пьезогенераторов можно выделить:
  • Длительный срок службы.
  • Небольшие габариты.
  • Мобильность.
  • Отсутствие отходов, а также загрязнения окружающей среды.
  • Независимость от погодных и природных условий.
  • Не требует выделения дополнительных площадей.
  • Широкая применяемость пьезогенераторов в самых разных устройствах.
  • Отличное решение в качестве источника электрических зарядов, контроля изоляции, источника высокого напряжения с целью воспламенения и многих других. В некоторых случаях применение пьезогенераторов целесообразно в качестве микромощных источников питания. Максимальное напряжение, которое могут выдавать пьезогенераторы, в большинстве случаев не превышает 1,6 В, чего вполне хватает для небольших источников света, мобильных плееров или мобильных коммуникационных аппаратов.
Среди недостатков пьезогенераторов можно выделить:
  • Небольшой ток. Пьезогенератор является преобразователем, но не источником электроэнергии.
  • Выработка электрического заряда только в момент механического воздействие. Ток идет краткосрочный, что требует внедрение в ряд устройств дополнительных элементов. В результате конструкция усложняется, а значит, утрачивает свою надежность.
  • На текущий момент времени пьезогенераторы не могут использоваться для питания мощных устройств.
Перспективы
  • Развитие технологий в ближайшем будущем позволит использовать пьезогенераторы мощности в случае невозможности применения солнечных батарей. Они смогут эффективно заменить их, для этого потребуется энергия ветра, моря или мускул. Вырабатываемой энергии вполне будет хватать для зарядки аккумуляторов планшетов, ноутбуков и возможно для питания целого дома.
  • Сегодня проводятся опыты по созданию систем с пьезогенераторами, которые могли бы получать энергию от движущегося автотранспорта. По подсчетам ученых километр автобана способен генерировать электрическую мощность, равную 5 МВт. Однако на текущий момент прорыв в этой области альтернативной энергетики останавливает недостаточное развитие технологий.
  • В обозримом будущем будет возможно подзаряжать плеер, мобильный телефон или иное устройство, просто положив его в карман. А сердцебиение человека сможет стать источником тока, к примеру, для портативного датчика артериального давления. Подобные революционные перспективы открываются благодаря созданию плоских миниатюрных «наногенераторов», которые могут при тряске, сгибании или сжатии вырабатывать то же напряжение, что и стандартная батарейка АА.
Похожие темы:

как работает, что такое пьезоэлектрический эффект

Среди множества диэлектрических материалов встречаются и такие, которые обладают так называемым пьезоэффектом. На их поверхности могут возникать электрические заряды под влиянием деформации. Существует и обратный эффект, когда диэлектрики начинают деформироваться под действием внешнего электрического поля. Пьезоэлемент сам по себе не может считаться источником электроэнергии. Он всего лишь преобразует механическую энергию в электрическую, с очень низким КПД. Однако, благодаря своим качествам, пьезоэлементы широко используются в технике, в первую очередь, как источники электрических разрядов.

Описание и свойства [ править | править код ]

Пьезоэлектрики — кристаллы (пьезокристаллы), которые обладают (наделены) свойством при сжатии продуцировать электрический заряд (прямой пьезоэффект) или обратным свойством под действием электрического напряжения изменять форму: сжиматься/расширяться, скручиваться, сгибаться (обратный пьезоэффект).

Пьезоэлектричество открыто братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880—1881 гг. [1]

Исполнительные устройства — конвертируют электрическую энергию в механическую.

Сенсоры (датчики, генераторы), наоборот, конвертируют механическую энергию в электрическую.

Существуют однослойные, двухслойные и многослойные пьезокристаллы.

Однослойные — под воздействием электричества изменяются в ширину, длину и толщину. Если их растянуть или сжать, они генерируют электричество.

Двухслойные — могут быть использованы как однослойные, могут сгибаться или удлиняться. «Сгибатели» создают наибольшую величину перемещения относительно других видов, а «расширители», будучи более упругими, развивают гораздо большее усилие при гораздо меньшем перемещении.

Многослойные — развивают наибольшую силу при минимальном перемещении (изменении формы).

Описание и свойства [ править | править код ]

Пьезоэлектрики — кристаллы (пьезокристаллы), которые обладают (наделены) свойством при сжатии продуцировать электрический заряд (прямой пьезоэффект) или обратным свойством под действием электрического напряжения изменять форму: сжиматься/расширяться, скручиваться, сгибаться (обратный пьезоэффект).

Пьезоэлектричество открыто братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880—1881 гг. [1]

Исполнительные устройства — конвертируют электрическую энергию в механическую.

Сенсоры (датчики, генераторы), наоборот, конвертируют механическую энергию в электрическую.

Существуют однослойные, двухслойные и многослойные пьезокристаллы.

Однослойные — под воздействием электричества изменяются в ширину, длину и толщину. Если их растянуть или сжать, они генерируют электричество.

Двухслойные — могут быть использованы как однослойные, могут сгибаться или удлиняться. «Сгибатели» создают наибольшую величину перемещения относительно других видов, а «расширители», будучи более упругими, развивают гораздо большее усилие при гораздо меньшем перемещении.

Многослойные — развивают наибольшую силу при минимальном перемещении (изменении формы).

История [ править | править код ]

В 1950—1960-е года в СССР изучением пьезоэлектричества занимался Всесоюзный научно-исследовательский институт пьезооптического минерального сырья, который издавал ежегодные научные труды.

Конструктивно пьезоэлемент представляет из себя пьезокерамику с нанесенными электродами. Пьезоэлементы могут быть разнообразной формы: в виде дисков, колец, трубок, пластин, сфер и др. Для вибраторов и генераторов пьезоэлементы объединяют в пьезостек, чтобы достичь лучших характеристик.

Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрические вещества (пьезоэлектрики

), в частности пьезокерамика, имеет то свойство, что при деформации под действием внешнего механического давления на их поверхности возникают электрические заряды. Этот эффект называется
прямым пьезоэлектрическим эффектом
и был открыт в 1880 г. братьями Кюри.

Вскоре после этого (в 1881 г.) был подтвержден и обратный пьезоэффект

, а именно что такое вещество, расположенное между двумя электродами, реагирует на приложенное к нему электрическое напряжение изменением своей формы. Первый эффект в настоящее время используется для измерений, а второй – для возбуждения механических давлений, деформаций и колебаний.

Более детальные исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойством элементарной ячейки структуры материала. При этом элементарная ячейка является наименьшей симметричной единицей материала, из которой путем ее многократного повторения можно получить микроскопический кристалл. Было показано, что необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в элементарной ячейки.

Принцип работы

Действие пьезоэлемента наиболее четко просматривается на примере зажигалки нажимного действия. При нажатии на клавишу, зажигалка выдает целую серию искр, что свидетельствует о наиболее удачном использовании пьезогенератора в данной конструкции. Чтобы представить себе принцип работы, рекомендуется рассмотреть схему упрощенной модели этого устройства. Она выполнена в виде опоры с рычагом, создающим большое усилие, воздействующее на пьезоэлемент.

Сами элементы представляют собой сплошные цилиндрические конструкции, на торцах которых расположены электроды. Они соприкасаются друг с другом, поэтому на них воздействует одинаковая сила. Ориентация каждого пьезоэлемента между собой выполнена таким образом, чтобы электроды соприкасающихся поверхностей имели один заряд, например, положительный, а противоположные концы – заряд с другим знаком. Порядок подключения необходимо обязательно соблюдать, особенно при изготовлении подобного устройства своими руками.

Под действием рычага электроды замыкаются, и возникает электрическое параллельное соединение каждого пьезоэлемента между собой. От точки соприкосновения выводится токовод с закругленным наконечником, расположенным от металлической основы на определенном расстоянии. Во время нажатия на рычаг воздушный промежуток между основой и наконечником пробивается электрической искрой. Теперь уже понятно, как работает такая зажигалка. При дальнейшем нажатии усилие возрастает, что приводит к появлению второй и последующей искр. Это будет происходить до тех пор, пока пьезоэлементы не разрушатся полностью.

Свойства пьезокерамики

Связь между приложенной силой и результирующим ответом пьезоэлемента зависит от: пьезоэлектрических свойств пьезокерамики, размера и форм образца, направления электрического и механического возбуждения.

По своей природе пьезоэлектрические материалы являются анизотропными кристаллами. Рисунок 3 показывает различные направления и оси ориентации пьезоэлектрического материала. Оси 1, 2 и 3 являются соответственными аналогами осей X, Y, Z классической ортогональной системы координат, в то время как оси 4, 5, и 6 определяют оси вращения. Направление оси 3 является направлением поляризации [1]. Это направление устанавливается во время производства посредством высокого постоянного напряжения, которое создается между электродами.

и , (1)

Верхний индекс показывает граничные условия действующие на материал в процессе определения значения относительной диэлектрической постоянной. В частности индекс T (в этом случае) говорит о том, что диэлектрическая постоянная измеряется на свободном (не зажатом) образце [3]. А индекс S показывает, что измерения происходят при постоянной деформации пьезокерамики (в зажатом состоянии). Первый нижний индекс показывает направление диэлектрического смещения, а второй – электрического поля [1]. Формула расчета относительной диэлектрической постоянной следующая:

, (2)

  • где — диэлектрическая проницаемость (одна из двух или ), Ф/м
  • t
    – расстояние между электродами, м,
  • S
    – площадь электрода, м 2 ,
  • C
    – емкость, Ф

Делаем магнитную минипушку

Необходимые материалы для изготовления минипушки :

1 . любая бутылка

2 . корпус шариковой ручки

3 . пьезоэлемент из старой зажигалки 4 . термоклей 5 . ножницы 6 . спрей для волос

Шаг 1 : Берем ручку и вынимаем колпачки с 2 —ух сторон .

Шаг 2 : Собираем минипушку .

Сначала берем бутылку от лекарства и делаем отверстие для того чтобы вставить туда корпус авторучки, далее с использованием термоклея делаем соединение герметичным.

  • можно вывезти из строя домофон
    (лучше не портить общественное имущество!),
  • можно сделать минишокер
    , сняв предварительно защиту,

Настоящего электрошокера сделать не получится, а вот подшутить над одноклассниками — вполне реально.

Производство пьезоэлементов

Большинство составов пьезокерамики основано на химических соединениях с формулой АВО3 (напр., BaTiO3, РbТiO3) с кристаллической структурой типа перовскита и различных твёрдых растворов на их основе (например, системы BaTiO3 — CaTiO3, BaTiO3 — CaTiO3 — CoCO3, NaNbO3 — KNbO3). Особенно широко используются в качестве пьезоэлектрических материалов составы системы РbТiO3 — PbZrO3 (т. н. система PZT, или ЦТС). Практический интерес представляет также ряд соединений с формулой АВ2О6, напр. PbNb2O6, имеющих весьма высокую Кюри точку (

Вещества, обладающие пьезоэффектом

Впервые пьезоэффект был найден у кристаллов горного хрусталя (кварца). По сегодняшнее время этот материал очень распространен в производстве пьезоэлементов, но в производстве применяются не только природные материалы.

Много пьезоэлектриков изготавливается на основе веществ с формулой ABO3, например BaTiO3, РbТiO3. Эти материалы обладают поликристаллической (состоящей из множества кристаллов) структурой, и чтобы придать им способность проявлять пьезоэффект они должны быть подвергнуты поляризации с помощью внешнего электрического поля.

Существую технологии, позволяющие получить плёночные пьезоэлектрики (поливинилиденфторид и т.п.). Чтобы придать им необходимые свойства, их также надо длительное время поляризовать в электрическом поле. Преимущество таких материалов – очень малая толщина.

Применение пьезокерамики

Пьезоэлектрические материалы нашли применение в широком ряде областей, таких как медицинские инструменты, контроль промышленных процессов, системах производства полупроводников, бытовых электрических приборах, системах контроля связи, различных измерительных приборах и в других областях. Коммерческие системы, которые используют пьезоэлектрические материалы – помпы, швейные машины, датчики (давления, обледенения, угловых скоростей и т.д.), оптические инструменты, лазерные принтеры, моторы для автофокусировки камер и многие другие. При этом область применения данных материалов постоянно растет. Применение пьезоэлемента

обычно сводится к четырем категориям: сенсоры, генераторы, силовые приводы, и преобразователи.

В генераторах

, пьезоэлектрические материалы могут генерировать напряжение, которого достаточно для возникновения искры между электродами, и таким образом могут быть использованы как электроды для воспламенения топлива, для газовых плит и для сварочного оборудования. Альтернативно, электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектрическими элементами, может накапливаться. Такие генераторы являются превосходными твердыми аккумуляторными батареями для электронных схем.

Вам нужны устройства сбора и обработки данных с ультразвуковых датчиков? Обращайтесь к нам, мы поможем Вам выбрать!

В сенсорах

, пьезоэлектрические материалы преобразуют физические параметры, такие как ускорение, давление и вибрации в электрический сигнал.

В силовых приводах

, пьезоэлектрические материалы преобразуют электрический сигнал в точно контролируемое физическое смещение, четко устанавливая точность механических инструментов, линз и зеркал.

В преобразователях

, пьезоэлектрические преобразователи могут, как генерировать ультразвуковой сигнал из электрической энергии, так и конвертировать приходящие механические колебания в электрические. Пьезоэлектрические приборы проектируются для измерения расстояний, скорости потока, и уровня жидкости. Преобразователи так же используются, чтобы генерировать ультразвуковые вибрации для очистки, сверления, сварки, размельчения керамики и для медицинской диагностики [1].

Ломать, не делать

Разряд тока, произведенный пьезоэлементом зажигалки, может сломать смартфон. Достаточно будет 8-12 раз «прощелкать» металлические разъемы гаджета, вход для наушников, оголенные части платы. При таком воздействии телефон откажется работать. При этом никаких видимых повреждений или оплавленных элементов не будет. Теперь вы можете с радостью нести сломанный гаджет в салон и требовать возврата денег. В сервисном центре ничего не должны понять.

Но пьезоэлементом газовой зажигалки нельзя вывести из строя обыкновенные «звонилки», сработанные в КНР. Не знаю почему, но даже после 50 ударов слабым током кнопочный телефон продолжил исправно функционировать.

Принцип работы пьезоэлемента в зажигалке, пьезогенератор электроэнергии

Пьезоэлектрический преобразователь

Пьезоэлектрическая пластина представляет собой устройство, которое использует пьезоэлектрический эффект для измерения давления, ускорения, деформации или силы путем преобразования их в электрический заряд.

Пьезоэлектричество — это электричество, генерируемое пьезоэлементом, эффект которого называется пьезоэлектрическим эффектом. Это способность некоторых материалов генерировать напряжение переменного тока (переменного тока) при механическом напряжении или вибрации или вибрировать при воздействии переменного напряжения или и то и другое. Наиболее распространенным пьезоэлектрическим материалом является кварц.

Этот эффект оказывает определенная керамика, соли Рошеля и другие другие твердые вещества. Когда звуковая волна ударяет по одной или обеим сторонам пластин, пластины вибрируют. Кристалл поднимает эту вибрацию, что приводит к слабому напряжению переменного тока. Следовательно, между двумя металлическими пластинами возникает напряжение переменного тока, с формой волны, подобной форме звуковых волн. И наоборот, если к пластинам подается сигнал переменного тока, это заставляет кристалл вибрировать синхронно с сигнальным напряжением. В результате металлические пластины также вибрируют и создают акустические помехи.

Практически каждый человек хотя бы один раз в жизни пользовался газовой зажигалкой, например моделью IMCO TRIPLEX, с пьезоэлементом. Это простое в исполнении и полезное в быту устройство позволяет добывать огонь всего одним щелчком. Огонь образуется из-за возгорания газа при контакте с электрическим разрядом, производимым пьезоэлементом зажигалки при нажатии на соответствующую клавишу.

При нажатии кнопки на пьезозажигалке мы слышим треск искры, далее газовая горелка разгорается.

Механизм действия пьезоэлемента

Основа здесь — это блок пьезоэлемента, который отправляет от кнопки силу давления на сам пьезоэлемент. Основная составляющая пьезоэлемента — пьезокристалл. Это пластинка, вырезанная из кварцевого кристалла. Ее функция — механическую деформацию превращать в электрическое напряжение. Пластинка очень твердая, способна выдержать значительные изгибы и сжатия и выдавать высокое напряжение.
При плавном нажатии на кристалл, выдаваемое напряжение будет невелико, но оно будет длительным. При нажатии на кристалл с той же силой, но быстро и мгновенно — выдаваемое напряжение сильнее, но оно будет моментальным.
Поэтому для создания искры в пьезозажигалке используется это свойство кристалла. Для изменения силы удара с плавного на резкий в зажигалке имеется механизм: упругая пружина, которая находится под кнопкой пьезозажигалки. Нажимая на кнопку — сжимается и пружина. После нажатия на кнопку до конца — пружина отодвигает рычажок, на который она опирается. После этого пружина резко распрямляется. На другом конце пружины расположен металлический молоточек, который при раскрытии пружины с огромной скоростью ударяет в кристалл. На обратной стороне кристалла имеется металлическая подкладка, которая не дает кристаллу сдвинуться от движения молоточка.
В результате получается мгновенный и сильный удар по кристаллу, который вызывает искру.
Пьезоэлемент из зажигалки: что можно сделать? Умельцы научились применять его в ремонте (точнее, в «убийстве») смартфонов или мобильных телефонов. Сразу же появляется логичный вопрос: а зачем индивиду со здоровой нервной системой ломать свой смартфон? Ситуация может быть разной. Кто-то желает сдать телефон по гарантии, так как он ему уже разонравился. Кто-то просто решил приколоться над дружком.

Использование пьезоэлемента для других целей

  • в качестве источника высокого напряжения в опытах по физике,
  • для вывода из строя домашней электроники ( это уже хулиганство!), щелкнув несколько раз по металлическим разъемам техники , мало вероятно, что кто-то догадается в чем причина поломки, так как это будет выглядеть как пробой,
  • умельцы могут сделать магнитную пушку. Вот пример изготовления минипушки:

ОСТОРОЖНО! Не направлять в лицо, не стрелять в людей!

Необходимые материалы для изготовления минипушки:
1. любая бутылка

2. корпус шариковой ручки


3. пьезоэлемент из старой зажигалки
4. термоклей
5. ножницы
6. спрей для волос

Шаг 1: Берем ручку и вынимаем колпачки с 2—ух сторон.

Шаг 2: Собираем минипушку.

Сначала берем бутылку от лекарства и делаем отверстие для того чтобы вставить

туда корпус авторучки, далее с использованием термоклея делаем соединение

герметичным.

Затем ножницами делаем два отверстия в боковой части бутылки из—

под лекарства, там будут проходить провода пьезоэлемента.


Затем помещаем пъезолемент с проводами в отверстия, приклеиваем

с использованием термоклея пьезоэлемент и провода к бутылке.

Шаг 3: Испытания.
Берем спрэй для волос и распыляем 2 раза по 2— сек. внутрь бутылки.

Сделаем небольшие пульки из скатанных бумажек и помещаем их внутрь емкости.

Далее нажимаем на кнопку пьезоэлемента

и наши бумажные пульки отлетают на достаточное расстояние!

Также вы можете посмотреть и видео изготовления минипушки:

  • неоновый фонарик: при подсоединении контактов зажигалки к неоновой лампе, после запуска искры — реально увидеть, как в лампе происходят разряды тока и разгорание лампы. Видео:
  • можно вывезти из строя домофон ( лучше не портить общественное имущество!),
  • можно сделать минишокер, сняв предварительно защиту,

Настоящего электрошокера сделать не получится, а вот подшутить над одноклассниками — вполне реально.

Как сделать слабый шокер своими руками в домашних условиях с использованием пьезоэлемента?

Еще один способ изготовления мини электрошокера, для этого потребуется:
— пьезоэлемент (вынутый из зажигалки),
— металлическая ручка,
— фольга,
— пассатижи.

Разбираем ручку, все детали ручки должны быть металлические. Выводной провод тока пьезоэлемента подкручиваем и вставляем в стержень пасты. И далее собираем, как показано на видео.
А дальше можете подшутить над другом — предложить ему попользоваться вашей ручкой.
Ток будет слабым, а эффект от неожиданности — очень сильным!

  • можно попробовать сделать микросварку,
  • можно искрой нанести надписи,
  • можно сделать устройство активной охраны.

Удачных вам экспериментов, друзья.

Пьезоэлектрический генератор электрической мощности


Ажиотаж в мире в отношении создания пьезоэлектрических источников энергии до недавнего времени не отличался высоким уровнем изобретательских предложений. Например, учёные Израиля предлагают монтировать пьезоэлементы в дорожном полотне и использовать энергию проезжающих машин. В Японии пол одного из залов метро покрыт пьезоэлементами. Эти и подобные им проекты генераторов напряжения не выдерживают никакой критики с экономической точки зрения. Причина в следующем.
За один щелчок электрозажигалки, который длится примерно 0,1 наносекунды, выделяется мощность более 2 мегаватт. То есть мощность за секунду равна 0,2 ватта. Если бы можно было сделать 1000 щелчков в секунду, то получили бы мощность 200 ватт. Мощность большая, но как сделать 1000 щелчков в секунду. Это невозможно, но вот прижать пьезоэлемент к гладкому вращающемуся колесу 20 и более тысяч раз можно, возбуждая в нём ультразвуковые колебания.
Это хотя бы доказывает ниже приведенный рисунок (рис.1). Тридцать ватт отбираемой от пьезоэлемента мощности (ватт на грамм пьезоэлемента) в непрерывном режиме при напряжении 300В было достаточно, чтобы питать люминесцентную лампу. Для этого энергия вращающегося колеса преобразовывается в изгибные ультразвуковые колебания камертона выполненного на одном из концов пакета Ланжевена, и затем, за счёт пьезоэффекта, в электрические колебания высокой частоты.

То есть, с помощью пьезоэлементов можно создавать не только электрические генераторы напряжения, но и генераторы мощности.
Идея использовать пьезоэлектрический мотор в качестве генератора мощности (рис.2) долго обходилась без должного внимания. Причина в том, что, согласно этой идее, один тип колебаний принудительно должен возбуждаться в одной из частей пьезоэлемента. Эту часть назовём возбудителем. Для этого, помимо механического воздействия, используется отдельный источник питания. Второй тип колебаний должен генерироваться в другой части пьезоэлемента, за счёт принудительного вращения ротора. Эту часть пьезоэлемента назовём генератором.

Испытания опытных образцов подтвердили возможность получения энергии в генераторе. Но мощность генератора должна быть в несколько раз больше мощности отбираемой от источника питания возбудителя. Иначе в таком генераторе нет смысла. Вот как раз это долго и не получалось.
Лишь только относительно недавно Вячеслав Лавриненко, изобретатель пьезоэлектрического мотора, пенсионер, работая у себя дома после тщательной подборки материалов пьезоэлемента и контактных пар смог получить полезную мощность на нагрузке в несколько раз больше, мощности, отбираемой от дополнительного источника питания. Появилась возможность часть мощности генератора направить в возбудитель и убрать дополнительный источник. Эту задачу он решал двумя способами.
По первому способу измерял амплитуду и фазу на входе возбудителя и с помощь реактивных элементов подгоняли под такую же амплитуду и фазу напряжение на выходе генератора. То есть, как и в обычных электрических генераторах выполнялись условия баланса амплитуды и фазы. Когда эти условия были выполнены, выход замыкался с входом.
По второму способу напряжение с генератора преобразовывалось в постоянное напряжение, которым питался усилитель мощности и маломощный генератор переменного напряжения. По мере того, как удалось устойчиво получать полезную мощность в пределах 0,2 Ватта на грамм пьезоэлемента, Лавриненко обнаруживает интересный эффект, соизмеримый в физике с открытием, который он сформулировал так:

В двух, совмещённых в одном теле, резонаторах взаимно перпендикулярных акустических колебаний, с частотами резонанса смещёнными друг относительно друга для создания сдвига фаз между колебаниями при их возбуждении спонтанно генерируются взаимно поперечные колебания на частоте между упомянутыми резонансными частотами при фрикционном взаимодействии тела с другим телом, например, с вращающимся колесом.
То есть, при фрикционном взаимодействии упомянутых тел существует положительная обратная связь. Появление случайных колебаний образуют эллипс, размеры которого увеличиваются при вращении колеса. Подобным образом в электрическом усилителе напряжения, охваченной положительной обратной связью спонтанно возбуждаются электрические колебания, и энергия источника постоянного напряжения преобразуется в переменное напряжение. Зависимость этого напряжения от скорости вращения имеет вид, показанный на рис.3.

Обнаруженный эффект значительно упрощает идею создания пьезоэлектрических генераторов мощности, причем мощность в 5 ватт на грамм пьезоэлемента становится вполне реальной. Будут ли они иметь преимущества перед электромагнитными генераторами можно будет сказать только со временем, по мере их изучения, хотя о некоторых из них можно говорить уже сейчас.
Отсутствие меди и обмоток – это надёжность в условиях повышенной влажности. Отсутствие тяжёлых металлов (меди и сплавов железа) – это высокие удельные параметры. Получаемый на выходе высокочастотный сигнал, легко трансформируется под любую нагрузку. А главное преимущество, что для любых частот вращения колеса не требуется редуктор. Достаточно лишь правильно рассчитать диаметр колеса.
При невозможности применения солнечных батарей, пьезоэлектрические генераторы мощности, используя энергию, мускул или ветра, могут их заменить, например, для зарядки аккумуляторов ноутбуков, планшетов и пр. Хотя актуальность направления очевидна, для его развития требуется достаточная финансовая поддержка, которой, как и у многих проектов наших стран, пока нет.

Описание и свойства

Пьезоэлектрики — кристаллы (пьезокристаллы), которые обладают (наделены) свойством при сжатии продуцировать электрический заряд (прямой пьезоэффект) или обратным свойством под действием электрического напряжения изменять форму: сжиматься/расширяться, скручиваться, сгибаться (обратный пьезоэффект).

Пьезоэлектричество открыто братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880—1881 гг.

Исполнительные устройства — конвертируют электрическую энергию в механическую.

Сенсоры (датчики, генераторы), наоборот, конвертируют механическую энергию в электрическую.

Существуют однослойные, двухслойные и многослойные пьезокристаллы.

Однослойные — под воздействием электричества изменяются в ширину, длину и толщину. Если их растянуть или сжать, они генерируют электричество.

Двухслойные — могут быть использованы как однослойные, могут сгибаться или удлиняться. «Сгибатели» создают наибольшую величину перемещения относительно других видов, а «расширители», будучи более упругими, развивают гораздо большее усилие при гораздо меньшем перемещении.

Многослойные — развивают наибольшую силу при минимальном перемещении (изменении формы).

Пьезоэлектрический преобразователь — работа, схема, преимущества и применение

В нашей повседневной жизни мы сталкиваемся с различными ситуациями, когда нам приходится измерять физические величины, такие как механическое напряжение, приложенное к металлу, уровни температуры, уровни давления и т. д. Для всех этих приложений нам нужно устройство, которое могло бы измерять эти неизвестные величины в единицах. и привычные нам калибровки. Одним из таких устройств, которое наиболее полезно для нас, является ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ . Преобразователь представляет собой электрическое устройство, которое может преобразовывать любую физическую величину в форму пропорциональной электрической величины либо в виде напряжения , либо в виде электрического тока .Из большого числа преобразователей различных типов в этой статье рассказывается о пьезоэлектрических преобразователях .


Что такое пьезоэлектрический преобразователь?

Определение пьезоэлектрического преобразователя представляет собой электрический преобразователь , который может преобразовывать любую форму физической величины в электрический сигнал , который можно использовать для измерения. Электрический преобразователь, который использует свойства пьезоэлектрических материалов для преобразования физических величин в электрические сигналы, известен как пьезоэлектрический преобразователь .

Пьезоэлектрический преобразователь

Пьезоэлектрические материалы обладают свойством пьезоэлектричества , согласно которому при приложении любого типа механического напряжения или деформации возникает электрическое напряжение, пропорциональное приложенному напряжению. Это создаваемое электрическое напряжение может быть измерено с помощью измерительных приборов напряжения для расчета значения напряжения или деформации, приложенных к материалу.

Типы пьезоэлектрических материалов

Некоторые типы пьезоэлектрических материалов:

Доступные в природе: Кварц, сегнетовая соль, топаз, минералы турмалиновой группы и некоторые органические вещества, такие как шелк, дерево, эмаль, кость, волосы, каучук, дентин.Искусственно производит пьезоэлектрических материалов : поливинилидендифторид, PVDF или PVF2, титанат бария, титанат свинца, цирконат-титанат свинца (PZT), ниобат калия, ниобат лития, танталат лития и другую бессвинцовую пьезоэлектрическую керамику.

Не все пьезоэлектрические материалы можно использовать в пьезоэлектрических преобразователях . К пьезоэлектрическим материалам, используемым в качестве преобразователей, предъявляются определенные требования. Материалы, используемые для целей измерения, должны иметь стабильную частоту, высокие выходные значения, нечувствительны к экстремальным условиям температуры и влажности и могут быть доступны в различных формах или должны быть гибкими, чтобы их можно было изготавливать в различных формах без нарушения их свойств.

К сожалению, не существует пьезоэлектрического материала, обладающего всеми этими свойствами. Кварц — это очень стабильный кристалл, который доступен в природе, но имеет небольшой выходной уровень. Медленно меняющиеся параметры можно измерять с помощью кварца. Соль Рошель дает самые высокие выходные значения, но она чувствительна к условиям окружающей среды и не может работать при температуре выше 1150F.

Пьезоэлектрический преобразователь в рабочем состоянии

Пьезоэлектрический преобразователь работает по принципу пьезоэлектричества.Грани из пьезоэлектрического материала, обычного кварца, покрыты тонким слоем проводящего материала, например серебра. При приложении напряжения ионы в материале движутся к одной из проводящих поверхностей, удаляясь от другой. Это приводит к генерации заряда. Этот заряд используется для калибровки напряжения. Полярность произведенного заряда зависит от направления приложенного напряжения. Напряжение может применяться в двух формах: C , сжимающее напряжение и , растягивающее напряжение , как показано ниже.

Работа пьезоэлектрического преобразователя
Формула пьезоэлектрического преобразователя

Ориентация кристалла также влияет на величину генерируемого напряжения. Кристалл в преобразователе может быть расположен в продольном положении или поперечном положении .

Пьезоэлектрический преобразователь Formula

Продольный и поперечный эффект

При продольном эффекте генерируемый заряд равен

Q = F * d

Где F — приложенная сила, d — пьезоэлектрический коэффициент кристалла.

Пьезоэлектрический коэффициент d кристалла кварца составляет около 2,3 * 10 -12 C/N.

При поперечном эффекте генерируемый заряд равен

Q = F * d * (б/а)

Когда отношение b/a больше 1, заряд, создаваемый поперечным расположением, будет больше, чем количество, создаваемое продольным расположением.

Цепь пьезоэлектрического преобразователя

Работу основного пьезоэлектрического преобразователя можно пояснить на рисунке ниже.

Схема пьезоэлектрического преобразователя

Здесь кристалл кварца, покрытый серебром, используется в качестве датчика для генерации напряжения при воздействии на него напряжения. Усилитель заряда используется для измерения произведенного заряда без рассеяния. Чтобы потреблять очень малый ток, сопротивление R1 должно быть очень большим. Емкость подводящего провода, соединяющего преобразователь и пьезоэлектрический датчик , также влияет на калибровку. Поэтому усилитель заряда обычно размещают очень близко к датчику.

Так в пьезоэлектрическом преобразователе при приложении механического напряжения генерируется пропорциональное электрическое напряжение, которое усиливается с помощью усилителя заряда и используется для калибровки приложенного напряжения.

Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь

Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь работает по принципу обратного пьезоэффекта . В этом эффекте, когда электричество подается на пьезоэлектрический материал, он подвергается физическим деформациям, пропорциональным приложенному заряду. Схема ультразвукового преобразователя приведена ниже.

Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь

Здесь кварцевый кристалл помещен между двумя металлическими пластинами A и B, которые подключены к первичной обмотке L3 трансформатора.Первичная обмотка трансформатора индуктивно связана с электронным генератором . Катушки L1 и L2, образующие вторичную обмотку трансформатора, подключены к электронному генератору.

При включении батареи генератор выдает высокочастотные импульсы переменного напряжения с частотой f=1÷(2π√L1C1). Благодаря этому в L3 индуцируется ЭДС, которая передается на кристалл кварца через пластины А и В. За счет обратного пьезоэффекта кристалл начинает попеременно сжиматься и расширяться, создавая механические колебания.

Резонанс имеет место, когда частота электронного генератора равна собственной частоте кварца. В этот момент кварц производит продольных ультразвуковых волны большой амплитуды.

Применение пьезоэлектрических преобразователей

  • Поскольку пьезоэлектрические материалы не могут измерять статические величины, они в основном используются для измерения шероховатости поверхности, в акселерометрах и в качестве датчика вибрации.
  • Используются в сейсмографах для измерения вибраций в ракетах.
  • В тензодатчиках для измерения силы, напряжения, вибрации и т. д.
  • Используется в автомобильной промышленности для измерения детонации в двигателях.
  • Они используются в ультразвуковой визуализации в медицинских целях.

Преимущества и ограничения пьезоэлектрических преобразователей

К преимуществам и ограничениям пьезоэлектрических преобразователей относятся следующие.

Преимущества

  • Активный преобразователь i.е. они не требуют внешней энергии для работы и, следовательно, являются самогенерирующими.
  • Высокочастотный отклик этих преобразователей делает их хорошим выбором для различных применений.

Ограничения

  • Температура и условия окружающей среды могут повлиять на работу преобразователя.
  • Они могут измерять только изменяющееся давление, поэтому бесполезны при измерении статических параметров.

Таким образом, это все о пьезоэлектрическом преобразователе, принципе работы, формуле, схеме работы, преимуществах, ограничениях, а также приложениях.Исходя из приведенной выше информации, существуют различные применения пьезоэлектрического преобразователя, как мы обсуждали. Для каких целей вы использовали пьезоэлектрический преобразователь? Каким был ваш опыт?

Принцип работы пьезоэлектрического преобразователя

— руководство по электрике

Привет друзья,
 
В этой статье я обсуждаю пьезоэлектрический эффект, принцип работы пьезоэлектрического преобразователя , его работу и применение. Вы найдете эту статью информативной и интересной, я надеюсь на это.

Пьезоэлектрический преобразователь является активным преобразователем. Обычно он используется для преобразования механического напряжения или давления в электрический сигнал. Эти физические величины не могут быть измерены напрямую. Следовательно, с помощью пьезоэлектрического преобразователя они сначала преобразуются в электрический сигнал, а затем используются для других целей, таких как измерение или управление технологическим процессом.

Кристалл кварца обладает очень важным свойством, известным как пьезоэлектрический эффект.
 
Когда к граням кристалла кварца прикладывается некоторое механическое давление, на кристалле появляется напряжение, пропорциональное приложенному механическому давлению.И наоборот, когда к поверхностям кристалла прикладывается напряжение, кристалл искажается на величину, пропорциональную приложенному напряжению.

Это явление известно как пьезоэлектрический эффект, а материал, проявляющий это свойство, известен как пьезоэлектрический материал.
 
Все пьезоэлектрические преобразователи работают на пьезоэлектрическом эффекте. В пьезоэлектрическом преобразователе пьезоэлектрический материал используется в качестве чувствительного элемента, который преобразует входную механическую величину в пропорциональный электрический сигнал.Это основной принцип работы пьезоэлектрического преобразователя .
 
Помимо кварца, другими веществами, проявляющими пьезоэлектрический эффект, являются сегнетовая соль и турмалин.
 
Соль Рошель проявляет наибольший пьезоэлектрический эффект, но ее применение ограничено производством микрофонов, наушников и громкоговорителей. Это связано с тем, что сегнетовая соль механически самая слабая и сильно подвержена влиянию влаги и тепла. Турмалин наиболее прочный, но проявляет наименьший пьезоэлектрический эффект.
 
Кварц представляет собой компромисс между пьезоэлектрическим эффектом сегнетовой соли и механической прочностью турмалина. Он недорогой и легкодоступный в природе.

Работа пьезоэлектрического преобразователя

В пьезоэлектрическом преобразователе в качестве чувствительного элемента используется пьезоэлектрический материал, такой как кристалл кварца. Когда к пьезоэлектрическому преобразователю прикладывается динамическая сила или динамическое давление, на поверхности кристалла генерируется заряд. Этот заряд проявляется как разность потенциалов между электродами, расположенными на противоположных сторонах кристалла.
 

  • Генерируемый таким образом заряд очень мал по величине. Поэтому он должен усиливаться с помощью усилителя заряда, чтобы получить достаточную мощность. Выходной прибор калибруется по входной измеряемой величине.
  • Если мы приложим статическую силу или статическое давление, выходного напряжения не будет. Следовательно, входная измеряемая величина всегда должна быть динамической.
  • Величина выходного напряжения прямо пропорциональна приложенной силе.
  • Полярность генерируемого напряжения зависит от направления приложенной силы . Следовательно, полярность генерируемого напряжения для силы растяжения и силы сжатия будет противоположной по полярности на одном и том же куске пьезоэлектрического материала.

Чувствительность к заряду кристалла

 
Заряд, индуцированный кристаллом, пропорционален приложенной силе,
т. е.    Q α F
или      Q = dF
или      d = Q/F, является чувствительностью к заряду.Его единица C/N.
 
Чувствительность заряда d зависит от направления.
 
Если d 11 — чувствительность заряда в направлении 1,
d 22 — косвенная чувствительность заряда 2,
d nn — косвенная чувствительность заряда n,
 
, g = √(d 11 2 + d 22 2 + ……. + d nn 2 )

Уравнение выходного напряжения

Выходное напряжение, E = gPt
 
где, P = приложенное давление, t = толщина кристалла,
 
g = чувствительность кристалла к напряжению, единица измерения Vm/N
g = d/ɛ = d/ ɛ или ɛ r

Преимущества пьезоэлектрического преобразователя

  • Пьезоэлектрические преобразователи имеют высокочастотную характеристику.
  • Имеют высокую переходную характеристику.
  • Они очень прочные.

Недостатки пьезоэлектрического преобразователя

  • Выходной сигнал пьезоэлектрических преобразователей очень низкий.
  • В некоторых случаях на вывод могут влиять температура и влажность.
  • Имеют высокий импеданс.
  • Они не могут измерять статическое давление или силу. Если к пьезоэлектрическому преобразователю приложено статическое давление или сила, выходной сигнал будет равен нулю.

Применение пьезоэлектрического преобразователя

  • Они очень полезны для динамических измерений.
  • Они очень полезны для изучения высокоскоростных явлений, таких как взрывы и взрывы.
  • Они очень полезны для измерения напряжения, силы и давления.

Применение пьезоэлектрического эффекта

Кварцевые генераторы : В кварцевых генераторах обычный электрический резонансный контур заменен механически вибрирующим кристаллом.Кристалл (обычно кварц) имеет высокую степень стабильности в поддержании постоянной на любой частоте, на которой кристалл работает. Таким образом, кварцевые генераторы используются везде, где требуется высокая стабильность, например, в передатчиках и приемниках связи, цифровых часах и т. д. крупный коммерческий масштаб. Элемент печатного штифта состоит из пьезоактюатора, усилителя хода, работающего по рычажному принципу, и печатной проволоки.
 
Когда импульс с пиковым напряжением 150 В подается на пьезоэлектрический привод, печатная проволока перемещается примерно на 40 мкм, заставляя кончик проволоки ударяться о бумагу через красящую ленту.
 
Медицинские ультразвуковые приборы : Пьезоэлектрический материал может использоваться как в активных, так и в пассивных преобразователях. В пассивном режиме преобразователь выступает в роли приемника звука, т.е. происходит преобразование звуковой энергии в электрический сигнал. Обратный пьезоэлектрический эффект позволяет преобразователю действовать как активный передатчик звука.
 
В эхо-импульсном режиме преобразователь одновременно выполняет как активную, так и пассивную функции. Звуковая волна распространяется в среду, и после небольшого промежутка времени возвращается слабое эхо из-за несоответствия акустического импеданса между материалами интерфейса. Этот принцип используется в датчиках для ультразвуковой медицинской визуализации.
 
Спасибо, что прочитали о «принципе работы пьезоэлектрического преобразователя».
 

Инструменты | Все сообщения

 

© www.yourelectricalguide.com/ Принцип работы пьезоэлектрического преобразователя.

Пьезоэлектрический преобразователь: применение и принцип работы

Что такое пьезоэлектрический преобразователь

Пьезоэлектрический преобразователь (также известный как пьезоэлектрический датчик) представляет собой устройство, использующее пьезоэлектрический эффект для измерения изменений ускорения, давления, деформации, температуры или силы. путем преобразования этой энергии в электрический заряд.

Преобразователь может быть чем угодно, что преобразует одну форму энергии в другую.Пьезоэлектрический материал является одним из видов преобразователей. Когда мы сжимаем этот пьезоэлектрический материал или применяем любую силу или давление, преобразователь преобразует эту энергию в напряжение. Это напряжение является функцией приложенной к нему силы или давления.

Электрическое напряжение, создаваемое пьезоэлектрическим преобразователем, может быть легко измерено с помощью приборов для измерения напряжения. Поскольку это напряжение будет функцией приложенной к нему силы или давления, мы можем сделать вывод о том, какими были сила/давление, по показаниям напряжения.Таким образом, физические величины, такие как механическое напряжение или сила, могут быть измерены напрямую с помощью пьезоэлектрического преобразователя.

Пьезоэлектрический привод

Пьезоэлектрический привод работает в обратном порядке по сравнению с пьезоэлектрическим датчиком. Это тот, в котором электрический эффект вызывает деформацию материала, то есть растяжение или изгиб.

Это означает, что в пьезоэлектрическом датчике, когда к нему прикладывается сила для растяжения или изгиба, генерируется электрический потенциал, и, наоборот, когда к пьезоэлектрическому приводу прикладывается электрический потенциал, он деформируется, т.е.е. растягиваться или сгибаться.

Пьезоэлектрический преобразователь состоит из кристалла кварца, состоящего из кремния и кислорода, имеющих кристаллическую структуру (SiO 2 ). Как правило, элементарная ячейка (основная повторяющаяся единица) всех кристаллов симметрична, но в пьезоэлектрическом кристалле кварца это не так. Пьезоэлектрические кристаллы электрически нейтральны.

Атомы внутри них могут быть несимметрично расположены, но их электрические заряды уравновешены, т. е. положительные заряды уравновешивают отрицательные заряды.Кристалл кварца обладает уникальным свойством генерировать электрическую полярность при приложении к нему механического напряжения вдоль определенной плоскости. По сути, существует два типа стресса. Одно напряжение сжатия, а другое напряжение растяжения.

При наличии ненагруженного кварца заряды на нем не индуцируются. В случае сжимающего напряжения на одной стороне индуцируются положительные заряды, а на противоположной — отрицательные. Размер кристалла становится тоньше и длиннее из-за напряжения сжатия.В случае напряжения растяжения заряды индуцируются в обратном направлении по сравнению с напряжением сжатия, и кристалл кварца становится короче и толще.

Пьезоэлектрический преобразователь основан на принципе пьезоэлектрического эффекта. Слово пьезоэлектрический происходит от греческого слова piezen, что означает сжимать или давить. Пьезоэлектрический эффект заключается в том, что когда механическое напряжение или силы прикладывают к кристаллу кварца, на поверхности кристалла кварца возникают электрические заряды. Пьезоэлектрический эффект был открыт Пьером и Жаком Кюри.Скорость производимого заряда будет пропорциональна скорости изменения приложенного к нему механического напряжения. Чем выше будет напряжение, тем выше будет напряжение.

Одной из уникальных характеристик пьезоэлектрического эффекта является то, что он является обратимым, т.е. когда к ним прикладывается напряжение, они имеют тенденцию изменять размер вместе с определенной плоскостью, т.е. кристаллическая структура кварца помещается в электрическое поле, оно деформирует кристалл кварца количество, пропорциональное напряженности электрического поля.Если ту же структуру поместить в электрическое поле с обратным направлением поля, деформация будет противоположной.

Кристалл кварца становится длиннее из-за приложенного электрического поля

Кристалл кварца становится короче из-за приложенного электрического поля в обратном направлении.
Это самогенерирующий преобразователь. Для работы не требуется источник электрического напряжения. Электрическое напряжение, создаваемое пьезоэлектрическим преобразователем, линейно изменяется в зависимости от приложенного напряжения или силы.

Пьезоэлектрический преобразователь имеет высокую чувствительность. Таким образом, он действует как датчик и используется в акселерометре из-за его отличной частоты отклика. Пьезоэлектрический эффект используется во многих приложениях, связанных с производством и обнаружением звука, электронной генерацией частоты. Он действует как источник воспламенения для прикуривателя и используется в гидролокаторе, микрофоне, измерении силы, давления и перемещения.

Применение пьезоэлектрических материалов

Используя пьезоэлектрические материалы, пьезоэлектрические преобразователи могут использоваться в различных приложениях, в том числе:

  1. В микрофонах звуковое давление преобразуется в электрический сигнал, который в конечном итоге усиливается для получения более громкого звука.
  2. Блокировка автомобильных ремней безопасности при резком торможении также выполняется с использованием пьезоэлектрического материала.
  3. Также используется в медицинской диагностике.
  4. Используется в электрической зажигалке на кухне. Давление на пьезоэлектрический датчик создает электрический сигнал, который в конечном итоге приводит к срабатыванию вспышки.
  5. Применяются для изучения высокоскоростных ударных и взрывных волн.
  6. Используется для лечения бесплодия.
  7. Используется в струйных принтерах
  8. Он также используется в ресторанах или аэропортах, где, когда человек приближается к двери, дверь открывается автоматически.При этом используется концепция, заключающаяся в том, что когда человек находится рядом с дверью, на датчики оказывается давление веса человека, благодаря чему возникает электрический эффект, и дверь открывается автоматически.

Примеры пьезоэлектрических материалов

Материалы:

  1. Титанат бария.
  2. Цирконат титанат свинца (PZT).
  3. Соль сегнетовая.

Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь

Он производит частоты, намного превышающие те, которые могут быть услышаны человеческим ухом.Он быстро расширяется и сжимается при воздействии любого напряжения. Обычно используется в пылесосе.

Пьезозуммер

Зуммер — это все, что производит звук. Они управляются колебательной электронной схемой. Пьезоэлектрический элемент может управляться колебательной электронной схемой или другим источником аудиосигнала, управляемым пьезоэлектрическим усилителем звука. Щелчок, звонок или звуковой сигнал обычно используются для обозначения того, что кнопка была нажата.

Пьезоэлектрический зуммер (или пьезоэлектрический звуковой сигнал) зависит от резонанса акустической полости (или резонанса Гельмгольца) для создания звукового сигнала.

Преимущества пьезоэлектрического преобразователя

Преимущества пьезоэлектрического преобразователя:

  1. Нет необходимости во внешней силе
  2. Простота в обращении и использовании, так как имеет небольшие размеры
  3. Высокочастотный отклик означает, что параметры изменяются очень быстро

Пьезоэлектрический преобразователь Недостатки

Недостатки пьезоэлектрических преобразователей:

  1. Не подходит для измерения в статическом состоянии
  2. На него воздействуют температуры очень трудно придать этому материалу желаемую форму, а также желаемую прочность

Что такое пьезоэлектрический преобразователь? — Определение, работа и применение

Определение:

Преобразователь, использующий пьезоэлектрический элемент для преобразования механического движения в электрический сигнал, называется пьезоэлектрическим преобразователем.Этот преобразователь работает по принципу пьезоэлектрического эффекта . Активный преобразователь.

Пьезоэлектрический материал и пьезоэлектрический эффект:

Пьезоэлектрический преобразователь использует пьезоэлектрический материал в качестве элемента преобразования. Пьезоэлектрический материал — это материал, в котором возникает разность электрических потенциалов на определенной поверхности кристалла, если размер кристалла изменяется при приложении силы. Эта разность потенциалов возникает из-за смещения заряда.Процесс является обратимым, что означает, что если изменить разность потенциалов на некоторой заданной поверхности, размер пьезоэлектрического материала также изменится. Этот эффект известен как Пьезоэлектрический эффект . Элементы, демонстрирующие свойства, известны как электрорезистивные элементы.

сегнетовая соль, дигидрофосфат аммония, сульфат лития, тартарат дикалия, кварц и керамика являются некоторыми распространенными примерами пьезоэлектрического материала. По сути, существует два типа пьезоэлектрических материалов: натуральные и синтетические.

Природный пьезоэлектрический материал — это материал, который встречается в природе и может использоваться как таковой. Однако синтетические пьезоэлектрические материалы — это такие материалы, в которых пьезоэлектрические свойства не обнаруживаются в их исходном состоянии, но эти свойства создаются с помощью специальных методов, таких как поляризационная обработка.

Кварц

и керамика являются примерами природного пьезоэлектрического материала, тогда как такие материалы, как сульфат лития, тартарат этилендиамина, относятся к синтетической группе.

Принцип работы пьезоэлектрического преобразователя:

Принцип работы пьезоэлектрического преобразователя основан на том факте, что при приложении механической силы к пьезоэлектрическому кристаллу на его гранях возникает напряжение. Таким образом, механические явления преобразуются в электрические сигналы. Для работы этого преобразователя не требуется внешнего источника питания, поэтому он является активным преобразователем.

Пьезоэлектрический преобразователь реагирует на механическую силу/деформацию и генерирует напряжение.Могут существовать различные режимы деформации, на которые могут реагировать эти преобразователи. Режимы могут быть: расширение по толщине, поперечное расширение, сдвиг по толщине и сдвиг по торцу.

В пьезоэлектрическом преобразователе между двумя электродами зажат пьезоэлектрический кристалл. Когда происходит механическая деформация, она генерирует заряд и, следовательно, действует как конденсатор. На электродах преобразователя возникает напряжение, которое можно измерить и откалибровать с помощью силы деформации, чтобы непосредственно измерить механическую силу деформации.На рисунке ниже показан простой пьезоэлектрический преобразователь.

Следует отметить, что пьезоэлектрический эффект чувствителен к направлению. Это означает, что полярность заряда не будет одинаковой для растягивающей и сжимающей силы. Полярность напряжения, вызванного растягивающей силой, будет противоположна полярности напряжения, вызванного сжимающей силой.

Величина и полярность индуцированного заряда на электродах прямо пропорциональны приложенной силе и ее направлению.Пусть приложенная сила равна F, тогда индуцированный заряд будет равен

.

Q = кФ ……….(1)

, где k — константа пропорциональности. Эта константа есть не что иное, как чувствительность пьезоэлектрического материала к заряду. Он постоянен для данного материала и определяется как заряд, создаваемый на единицу приложенной силы. Его единица равна (Колумб/Ньютон)

.

При условии, что площадь поверхности электрода и расстояние между электродами равны A и d соответственно, заряд, генерируемый на каждом электроде пьезоэлектрического преобразователя, определяется следующим образом.

Q = CV

, где C — емкость, образованная электродами и пьезоэлектрическим материалом

С = ƐA / д

Следовательно,

Q = ƐAV / d ………….(2)

Из (1) и (2),

кФ = ƐAV / д

F = (ƐAV) / (дк)

Внимательно соблюдайте приведенное выше выражение; Ɛ, A, d и k являются постоянными для данного пьезоэлектрического преобразователя. По существу это означает, что величина приложенной силы прямо пропорциональна выходному напряжению на электродах.

Таким образом, измеряя величину напряжения на электродах пьезопреобразователя, можно найти величину механической силы. Следовательно, механическая сила преобразуется в электрический сигнал, что является единственным требованием любого преобразователя.

Режимы работы пьезоэлектрического кристалла:

Пьезоэлектрический кристалл можно использовать во многих режимах. Есть режимы:

  • Сдвиг по толщине
  • Торцевые ножницы
  • Увеличение толщины
  • Поперечное расширение

Эти режимы показаны на рисунке ниже.

Каждый из вышеперечисленных режимов может быть преобразован в электрический сигнал с помощью пьезоэлектрического преобразователя. Склеивая два кристалла вместе так, чтобы их электрические оси были перпендикулярны, можно получить «Бендеры» или «Твистеры». Это означает, что изгибающее движение, применяемое к гибочному станку, создает выходное напряжение. Точно так же крутящее движение, применяемое к крутильному механизму, создает выходное напряжение. Бендеры и твистеры показаны ниже.

Свойства пьезоэлектрического кристалла:

Основными свойствами пьезоэлектрического материала для его пригодности для использования в пьезоэлектрическом преобразователе являются стабильность, выходная нечувствительность к температуре и влажности и способность принимать наиболее желаемую форму.

Кварц — самый стабильный пьезоэлектрический кристалл. Однако его выход очень мал. С другой стороны, сегнетовая соль обеспечивает максимальную производительность, но ее главный недостаток заключается в том, что ее можно использовать только в ограниченном диапазоне температур (только до 45°C) и ее необходимо защищать от влаги.

Тартарат бария имеет то преимущество, что ему можно придавать различные формы и размеры. Его диэлектрическая проницаемость также высока (следовательно, емкость C будет высокой, что приведет к более высокому выходному напряжению).Преимущество природного хрусталя в том, что он обладает более высокой механической и термической стабильностью, может выдерживать более высокие нагрузки. Синтетический материал обычно имеет более высокую чувствительность к напряжению.

Эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя:

Базовая электрическая эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя показана на рисунке ниже.

Из эквивалентной схемы пьезоэлектрического преобразователя можно отметить следующие пункты:

  • Источник — генератор заряда, значение которого равно dF.
  • Генерируемый заряд проходит через емкость C p кристалла и сопротивление утечки R p .
  • Генератор заряда может быть заменен эквивалентным источником напряжения с напряжением E o = Q/C p = dF/C p

Применение/использование пьезоэлектрического материала и преобразователя:

Применение или использование пьезоэлектрического материала и преобразователя перечислены ниже:

  • Кварц обычно используется для стабилизации электронных генераторов из-за его высокой стабильности.
  • Пьезоэлектрический преобразователь
  • в основном используется для динамических измерений. Напряжение, развиваемое приложением деформации, не удерживается в статическом состоянии. Поэтому эти преобразователи используются для измерения таких величин, как шероховатость поверхности, ускорение (называемое акселерометром) и вибрации.
  • Ультразвуковой генератор
  • также использует титанат бария, который представляет собой пьезоэлектрический материал. Такие материалы используются в промышленных очистных устройствах, а также в системе подводного обнаружения, известной как гидролокатор .

Пьезоэлектрический принцип


Активным элементом акселерометра является пьезоэлектрический материал. Рисунок 1 иллюстрирует пьезоэлектрический эффект с помощью компрессионного диск. Компрессионный диск выглядит как конденсатор с пьезокерамическим покрытием. материал, зажатый между двумя электродами. Сила приложена перпендикулярно к диску вызывает производство заряда и напряжение на электродах.

Рисунок 1: Пьезоэлектрический эффект, основные расчеты

Чувствительный элемент пьезоэлектрического акселерометра состоит из двух основные части:
  • Пьезокерамический материал
  • Сейсмическая масса

Одна сторона пьезоэлектрического материала соединена с жесткой стойкой в основании датчика.Так называемая сейсмическая масса присоединена к другому сторона. Когда акселерометр подвергается вибрации, создается сила который действует на пьезоэлемент (ср. рис. 2). Согласно по закону Ньютона эта сила равна произведению ускорения и сейсмическая масса. За счет пьезоэлектрического эффекта выход заряда пропорционален к приложенной силе. Поскольку сейсмическая масса постоянна выходной сигнал заряда пропорционален ускорению масса.

Рисунок 2: Принцип работы пьезоэлектрического акселерометра

В широком диапазоне частот и основание датчика, и сейсмическая масса одинаковая величина ускорения. Следовательно, датчик измеряет ускорение объекта испытаний.

Пьезоэлемент подключается к гнезду датчика через пара электродов. Некоторые акселерометры имеют встроенную электронную схема, которая преобразует выход заряда с высоким импедансом в низкоимпедансный сигнал напряжения.

В пределах полезного диапазона рабочих частот чувствительность не зависит частоты, за исключением упомянутых позже ограничений.

Пьезоэлектрический акселерометр можно рассматривать как механический низкочастотный с резонансным пиком. Сейсмическая масса и пьезокерамика (плюс другие «гибкие» компоненты) образуют систему пружинных масс. Он показывает типичное резонансное поведение и определяет верхний частотный предел акселерометра.Для достижения более широкого диапазона рабочих частот резонанс следует увеличить частоту. Обычно это делается путем уменьшения сейсмическая масса. Однако чем ниже сейсмическая масса, тем ниже чувствительность. Поэтому акселерометр с высокой резонансной частотой, например ударный акселерометр будет менее чувствительным, тогда как сейсмический акселерометр с высокой чувствительностью имеет низкую резонансную частоту.

На рис. 3 показана типичная частотная характеристика акселерометра. когда он возбуждается постоянным ускорением.

Рисунок 3: Кривая частотной характеристики

Из этой кривой можно получить несколько полезных частотных диапазонов:

  • Примерно на 1/5 резонансной частоты реакция датчик 1,05. Это означает, что измеренная ошибка по сравнению к более низким частотам составляет 5 %.
  • Примерно на 1/3 резонансной частоты ошибка составляет 10 %. По этой причине следует рассматривать «линейный» частотный диапазон. ограничивается 1/3 резонансной частоты.
  • Предел 3 дБ с погрешностью приблизительно 30 % достигается при примерно в полтора раза больше резонансной частоты.

Нижний предел частоты в основном зависит от выбранного предусилителя. Часто его можно отрегулировать. С усилителями напряжения низкая частота предел является функцией постоянной времени RC, формируемой акселерометром, кабель и входная емкость усилителя вместе с входом усилителя сопротивление.

Перейти к главе Акселерометр Исполнения

Пьезоэлектрический элемент – обзор

5.4.6 Датчик ускорения с пьезоэлектрическим датчиком перемещения

Пьезоэлектрический датчик ускорения имеет пьезоэлектрический элемент, установленный между основанием и сейсмической массой внутри корпуса. Ускорение смещает сейсмическую массу, которая развивает силу на пьезоэлектрический кварц или керамический кристалл, или на несколько кристаллов. Сила вызывает сжатие, растяжение или сдвиг пьезоэлектрического материала, что приводит к накоплению заряда, пропорциональному ускорению.Пружина действует как демпфер и используется для предварительного натяжения пьезоэлектрического материала. Пьезочувствительный элемент может быть реализован в виде тонкой пленки пьезоэлектрического материала, нанесенной на кремниевую подвесную систему сейсмической массы. Пьезоэлектрические акселерометры также сконструированы как интегральные схемы и обычно включают в свой корпус электронику обработки.

На рис. 5.40 показана базовая структура пьезоэлектрического акселерометра. Пьезоэлемент крепится к сейсмомассе и к пружине.При ускорении масса смещается и оказывает силу ( F = мА = кх ) на пьезоэлектрический элемент, который натягивается или растягивается в зависимости от направления ускорения. Это механическое напряжение вызывает перераспределение внутренних зарядов в пьезоэлементе, что ощущается как падение напряжения, измеряемое между гранями элемента. Измерение падения напряжения и, следовательно, смещения массы позволяет определить ускорение.

Рисунок 5.40. Базовая структура пьезоэлектрического акселерометра.

Выходной импеданс пьезоэлектрического элемента высок, и его выходной сигнал, как правило, с амплитудой порядка мВ, требует усилителя с низким уровнем шума и высоким импедансом, чтобы избежать нагрузки. Он действует как фильтр нижних частот, и его собственная частота обычно выше 5 кГц. Таким образом, пьезоакселерометры не подходят для медленно изменяющихся или постоянных ускорений, но подходят для измерения вибрации и ударов. Коммерческие пьезоакселерометры могут поставляться со встроенным усилителем заряда с высоким входным сопротивлением в том же корпусе, что требует большой осторожности при использовании из-за высоких значений нагрузки, которым подвергается этот тип устройства.Пьезоэлектрические устройства обладают долговременной стабильностью, разрешением ±0,1%, точностью ±1% и большим рабочим диапазоном от 0,03 до 1000 г . Электропитание требуется только для блоков со встроенной электроникой кондиционирования.

Различные типы акселерометров, описанные здесь, представляют собой системы без обратной связи. Чтобы улучшить их линейность, необходимо добавить электронную схему для реализации структуры балансировки сил, получая работу с замкнутым контуром, которая генерирует противоположные силы на сейсмическую массу, чтобы удерживать ее близко к исходному положению.

Пьезоэлектрический преобразователь – принцип работы, теория и применение

Что такое пьезоэлектрический преобразователь?

Пьезоэлектрический преобразователь представляет собой активный преобразователь, который преобразует физическую величину (силу, давление или напряжение) в электрический потенциал. Пьезоэлектрический преобразователь состоит из пьезоэлектрического кристалла, состоящего из пьезоэлектрического материала, который развивает электрический потенциал на своей поверхности при приложении механического напряжения. Это самогенерирующие преобразователи.

Генерируемая электрическая энергия пропорциональна приложенной механической силе. О приложении механической силы к поверхности пьезокристалла. Заряд будет производиться на поверхности кристалла, что приводит к созданию разности потенциалов между двумя поверхностями кристалла, вызывая тем самым электрический потенциал.

Поскольку создаваемое напряжение является функцией приложенной силы, давления или механического напряжения. Подключив прибор для измерения напряжения к поверхности кристалла.Можно определить величину механического напряжения, испытываемого кристаллом.

Таким образом, с помощью пьезоэлектрического преобразователя можно измерить физическую величину. В этом процессе преобразования нет необходимости во внешнем источнике питания, поэтому преобразователь называется активным преобразователем.


Принцип работы пьезоэлектрического преобразователя:

Пьезоэлектрический преобразователь работает по принципу пьезоэлектрического эффекта. Материалами, используемыми для изготовления пьезоэлектрического кристалла, являются кварц, сегнетовая соль, дикалийтартрат, дигидрофосфат калия, дигидрофосфат аммония.д., эти материалы называются пьезоэлектрическими материалами.

Когда пьезоэлектрический кристалл подвергается силовому или механическому воздействию, на поверхности кристалла возникает электрический потенциал. Это связано со смещением зарядов в кристалле. И наоборот, если подать электрическое напряжение, произойдет деформация формы кристалла за счет изменения его размеров. Этот процесс преобразования силы, давления или механического напряжения в электрическую энергию или наоборот называется пьезоэлектрическим эффектом.

Пусть F — сила, приложенная к поверхности кристалла. Величина и полярность развитого поверхностного потенциала пропорциональны величине и направлению F. Здесь полярность развитого потенциала (заряда) зависит от направления F.

Заряд, создаваемый кристаллом, определяется выражением

Q = d × F (в кулонах) …(1)

Где
  • F = сила, приложенная в ньютонах
  • d = чувствительность кристалла к заряду.
Для данного кристалла зарядовая чувствительность d постоянна.Толщина пьезоэлектрического кристалла изменяется из-за приложенной силы. Следовательно, Где
  • A = площадь пьезокристалла в м 2
  • E = модуль Юнга в Н/м 3
  • t = толщина пьезокристалла в м.
Модуль Юнга E можно определить как отношение напряжения к деформации, т.е. Где
  • A = площадь = фунты
  • l = длина кристалла в м
  • b = ширина кристалла в м
Подставляя уравнение 2 в 1, получаем, Из-за этого заряда на электроде будет генерироваться выходное напряжение E или , которое можно определить как Для данного кристалла чувствительность к напряжению постоянна и выражается в единицах Вм/Н.Теперь из уравнения выходного напряжения E o ,

Теперь P — это приложенное к кристаллу давление или напряжение, а ∈ — напряженность электрического поля в кристалле. Следовательно, чувствительность кристалла к напряжению можно определить как отношение напряженности электрического поля к приложенному давлению или напряжению.

Кроме того, направление полярности ЭДС индукции зависит от направления приложенной силы или давления. Следовательно, величина и направление индуцированного потенциала зависят от направления и величины приложенной силы или давления.


Свойства пьезоэлектрических кристаллов:

  • В конструкции пьезоэлектрического кристалла или пьезоэлектрических материалов используются кварц, сегнетовая соль, дикалийтартрат, сульфат лития, титанат бария и др. Наиболее востребованными свойствами этих материалов являются стабильность, нечувствительность к изменениям влажности, нечувствительность к изменения температуры, высокая производительность, способность превращаться в пригодный для использования компонент или желаемую форму.
  • По сравнению со всеми другими материалами кварц обладает самой высокой стабильностью, но обеспечивает низкую производительность.В то время как материал, называемый сегнетовой солью, обеспечивает высокую производительность, но его стабильность низкая и чувствительна к колебаниям влажности и температуры. Поэтому он требует некоторой защиты от влаги, а рабочий диапазон температур ниже 45°C.
  • Поскольку титанат бария (один из пьезоэлектрических материалов) является поликристаллическим, ему можно придавать различные формы и размеры. Кроме того, эти материалы имеют очень высокую диэлектрическую проницаемость.
  • Синтетические материалы обладают очень высокой чувствительностью к напряжению.
  • Природные кристаллы должны иметь,
    • Могут выдерживать более высокие нагрузки,
    • Обеспечивают хорошую частотную характеристику,
    • Имеют низкую утечку и
    • Имеют очень высокую термическую и механическую стабильность.
  • Пьезоэлектрические кристаллы имеют высокое входное сопротивление.

Режимы работы пьезоэлектрического кристалла:

Пьезоэлектрический кристалл может работать в различных режимах, таких как режим сдвига по толщине, режим расширения по толщине, режим поперечного расширения, режим сдвига по поверхности и т. д., как показано ниже.

Когда два кристалла соединяются вместе таким образом, что электрические оси кристаллов перпендикулярны друг другу, получающаяся в результате структура называется «твистером» или «изгибом». Когда твистер подвергается крутящему движению, на выходе будет генерироваться напряжение. Точно так же, когда гибочный станок подвергается изгибающему движению, на выходе будет генерироваться напряжение. Кривизны пьезоэлектрических преобразователей твистера и бендера при воздействии напряжения показаны на рисунке ниже.

Помимо этого, пьезоэлектрический кристалл также может использоваться в другом режиме работы для измерения силы. Для измерения силы в управляемом кристаллом электронном генераторе используется тонкая кварцевая пластина. В этом методе частота электрических колебаний известна по собственной частоте механических колебаний кварцевой пластины.


Эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя:

На приведенном ниже рисунке показана эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя.

Пусть в качестве пьезоэлектрического преобразователя используется пьезоэлектрический кристалл, а в качестве источника преобразователя используется генератор заряда, как показано на рисунке (i). Следовательно, заряд, развиваемый кристаллом, равен

Q = d × F

Рисунок (ii) содержит источник напряжения, эквивалентный генератору заряда, т.е. рис. (i) эквивалентен рис. (ii ). Следовательно, напряжение, развиваемое источником напряжения, определяется выражением

В o = Q/C p = dF/C p


Применение пьезоэлектрических преобразователей:

  • Желательными свойствами пьезоэлектрических материалов являются стабильность, нечувствительность к изменениям влажности, температуры, высокая производительность.По сравнению со всеми другими материалами кварц обладает наибольшей стабильностью (но обеспечивает низкую производительность). Поэтому он широко используется в стабилизации электронных генераторов.
  • Пьезоэлектрические материалы и преобразователи используются в основном для динамических измерений и не могут использоваться для измерения статического давления или деформации.
  • Может использоваться в процессах, требующих измерения высокого давления.
  • Пьезоэлектрические материалы могут применяться в тех системах, где требуются измеряемые переменные в электрической форме.
  • Титанат бария, один из пьезоэлектрических материалов, используемых в ультразвуковых генераторах. Используется в промышленном очистном оборудовании и в гидролокаторах (гидролокатор — система подводного обнаружения).
  • Пьезоэлектрические материалы используются в акселерометрах.
  • Пьезоэлектрические элементы могут использоваться в датчиках вибрации.

.

0 comments on “Принцип действия пьезоэлемента: Пьезоэлемент

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.