Пьезо это что такое

Принцип работы пьезоэлемента

Что такое пьезоэлектрический эффект?

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:

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:

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:

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

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:

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:

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:

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.

Источник

Что такое пьезоэлектрические материалы и почему за ними будущее

Если вы когда-либо пользовались зажигалкой, проходили медицинское ультразвуковое исследование в кабинете врача или включали газовую горелку, то использовали пьезоэлектричество. Рассказываем подробно, что это такое, какие пьезоэлектрические материалы бывают и почему за ними будущее.

Читайте «Хайтек» в

Пьезоэлектрический эффект — эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений ( прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэлектрический эффект — возникновение механических деформаций под действием электрического поля. В свою очередь, поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.

При прямом пьезоэффекте деформация пьезоэлектрического образца приводит к возникновению электрического напряжения между поверхностями деформируемого твердого тела, при обратном пьезоэффекте приложение напряжения к телу вызывает его деформацию.

Что такое пьезоэлектрические материалы?

Пьезоэлектрические материалы представляют собой материалы, которые обладают способностью генерировать внутренний электрический заряд от приложенного механического напряжения.

Некоторые вещества, встречающиеся в природе в природе, демонстрируют пьезоэлектрический эффект. К ним относятся:

Материалы, которые демонстрируют пьезоэлектрический эффект, также демонстрируют обратный пьезоэлектрический эффект (также называемый обратным или обратным пьезоэлектрическим эффектом). Обратный пьезоэлектрический эффект является внутренняя генерация механического напряжения в ответ на приложенное электрическое поле.

История пьезоэлектрических материалов

Кристаллы были первым материалом, использованным в ранних экспериментах с пьезоэлектричеством. Братья Кюри, Пьер и Жак впервые доказали прямой пьезоэлектрический эффект в 1880 году. Ученые расширили свои практические знания о кристаллических структурах и пироэлектрических материалах (материалах, которые генерируют электрический заряд в ответ на изменение температуры).

Они измерили поверхностные заряды следующих конкретных кристаллов, а именно:

В итоге именно кварц и соль Рошеля продемонстрировали самые высокие пьезоэлектрические эффекты.

Однако братья Кюри не предсказывали обратный пьезоэлектрический эффект. Он математически выведен Габриэлем Липпманом в 1881 году. Затем Кюри подтвердили эффект и предоставили количественное доказательство обратимости электрических, упругих и механических деформаций в пьезоэлектрических кристаллах.

К 1910 году 20 классов природных кристаллов, в которых наблюдается пьезоэлектрический эффект, были полностью определены и опубликованы в Lehrbuch Der Kristallphysik — «Учебнике физики кристаллов». Но это оставалось малоизвестной и высокотехнологичной нишевой областью физики без каких-либо видимых технологических или коммерческих применений.

Пока не наступила война.

Первое технологическое применение пьезоэлектрического материала было в качестве ультразвукового детектора подводной лодки. Пластика-детектор сделана из преобразователя (устройства, которое переводит один вид энергии в другой) и гидрофон. Преобразователь изготовлен из тонких кристаллов кварца, вклеенных между двумя стальными пластинами.

Огромный успех ультразвукового детектора подводных лодок во время войны стимулировал интенсивное технологическое развитие пьезоэлектрических устройств. После Первой мировой войны пьезокерамика использовалась в картриджах фонографов.

Вторая мировая война

Применение пьезоэлектрических материалов значительно продвинулось во время Второй мировой войны из-за независимых исследований Японии, СССР и США.

В частности достижения в понимании взаимосвязи между кристаллической структурой и электромеханической активностью наряду с другими достижениями в исследованиях полностью изменили подход к пьезоэлектрической технологии. Впервые инженеры смогли манипулировать пьезоэлектрическими материалами для конкретного применения устройства вместо того, чтобы наблюдать свойства материалов и затем искать подходящие применения наблюдаемых свойств.

Эта разработка позволила создать множество связанных с войной применений пьезоэлектрических материалов, таких как сверхчувствительные микрофоны, мощные гидроакустические устройства, гидроакустические буи (небольшие буи с возможностью прослушивания гидрофона и радиопередачей для мониторинга движения океанских судов) и системы пьезозажигания для одноцилиндрового зажигания.

Пьезоэлектрические кристаллы — какие они?

Ниже приводится неполный список пьезоэлектрических кристаллов с некоторыми краткими описаниями их использования. Позже мы обсудим некоторые конкретные применения наиболее часто используемых пьезоэлектрических материалов.

Встречающиеся в природе кристаллы:

Техногенные кристаллы — ортофосфат галлия (GaPO₄), аналог кварца и лангасит, аналог кварца.

Следующие ниже материалы были разработаны в ответ на опасения по поводу вредного воздействия свинца на окружающую среду:

Биологические пьезоэлектрические материалы:

Применение пьезоэлектрических материалов

Пьезоэлектрические материалы используются во многих отраслях промышленности, в том числе:

Высоковольтные источники питания:

Ультразвуковые преобразователи используются в повседневной медицинской визуализации. Преобразователь представляет собой пьезоэлектрический устройство, которое действует и как датчик, и исполнительный механизм. Ультразвуковые преобразователи содержат пьезоэлектрический элемент, который преобразует электрический сигнал в механическую вибрацию (режим передачи или компоненты привода) и механическую вибрацию в электрический сигнал (режим или компонент датчика приема).

Пьезоэлектрический элемент обычно разрезают на 1/2 желаемой длины волны ультразвукового преобразователя.

К другим типам пьезоэлектрических датчиков относятся:

Одно из преимуществ пьезоэлектрических приводов состоит в том, что высокое напряжение электрического поля соответствует крошечным микрометровым изменениям ширины пьезоэлектрического кристалла. Эти микромассы делают пьезоэлектрические кристаллы полезными в качестве исполнительных механизмов, когда требуется точное позиционирование крошечных объектов, например, в следующих устройствах:

Умные материалы — это широкий класс материалов, свойства которых могут быть изменены контролируемым методом под воздействием внешнего воздействия, такого как pH, температура, химические вещества, приложенное магнитное или электрическое поле или напряжение.

Пьезоэлектрические материалы соответствуют этому определению, потому что приложенное напряжение создает напряжение в пьезоэлектрическом материале, и, наоборот, приложение внешнего напряжения также производит электричество в материале.

Дополнительные интеллектуальные материалы включают сплавы с памятью формы, галохромные материалы, магнитокалорические материалы, термочувствительные полимеры, фотоэлектрические материалы и многие другие.

Что ждет пьезоэлектрические материалы будущем?

Так что же ждет пьезоэлектрические материалы в будущем? Возникает захватывающая идея, что пьезоматериалы из нановолокна могут быть коммерчески использованы в качестве источника энергии. Они полагаются на механическое усилие для выработки электричества. Поэтому, если расположить их, например, на сенсорном экране, то они могут выступить в качестве подзарядки устройства. Конечно, часть созданной мощности идет на выполнение действия на сенсорном экране. Но есть вариант создания дополнительных ресурсов.

Два самых популярных материала, используемых для наногенераторов, — это полимер поливинилиденфторид ( ПВДФ) и керамический цирконат-титанат свинца (PZT). ПВДФ демонстрирует более высокие пьезоэлектрические свойства, чем другие полимеры. Это связано с его полярной кристаллической структурой. В свою очередь PZT также имеет кристаллическую структуру и способен генерировать гораздо более высокие напряжения, чем другие пьезоэлектрические материалы для сбора энергии. Он также механически более прочен, особенно в форме нанопроволоки.

Промышленный дизайнер Чон-Хун Кимхас придумал блестящую идею использования пьезоэлектричества для питания автомобиля. Такие устройства, которые заряжают аккумуляторы, получают энергию от вибраций, возникающих при движении машины. Эта технология не производит выбросов и не зависит от ископаемого топлива, что делает ее экологически чистой.

Другой промышленный дизайнер, Пол Фригу, разработал мобильный телефон, который может заряжаться сам! Модель Zeri использует термоэлектрические и пьезоэлектрические системы. Первый использует изменения температуры для генерации заряда; второй — колебания воздуха. Эти две функции делают смартфон на 100% экологически чистым.

Мексиканец Альберто Вильярреал создал пару обуви, которая освещает путь ее владельцу. Используя кинетическую энергию ходьбы или бега, электролюминесцентные полимеры могут производить свет. Эти эффекты буду полезны для бегунов.

Следующая инновационная технология — в секторе планшетов. Использование регенеративного ввода на сенсорном экране вполне может стать предпочтительным способом зарядки этих популярных гаджетов. В среднем (статистически) средний человек нажимает на сенсорный экран 1 000 раз в день. Этого более чем достаточно для питания планшета.

Напоследок, пожалуй, самый интересный пьезоэлектрический гаджет — душ. Разработанный финскими, мексиканскими и немецкими инженерами, он содержит множество крошечных нанопроволок. Эти нанопровода используют энергию проходящей воды для производства электричества, которое используется для нагрева воды. Устройство также имеет сенсорные панели, которые контролируют количество использованной воды и подсчитывают время, проведенное пользователем в душе. Также имеется регулятор, который контролирует давление воды.

Диэлектрик — вещество, относительно плохо проводящее электрический ток. Электрические свойства диэлектриков определяются их способностью к поляризации во внешнем электрическом поле. Термин введён в науку английским физиком М. Фарадеем. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10⁸ см⁻³.

Источник

Пьезоэлектрический эффект, применение в науке и технике

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:

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

Суть пьезоэлектрического эффекта и его основные свойства

Первые сообщения о пьезоэлектрическом эффекте были опубликованы в 1880 году во Франции братьями Кюри. Они установили, что при механической деформации кварца и некоторых иных кристаллических материалов давлением, сжатием, растяжением и кручением на нем появляется электрический заряд. Авторы открытия назвали подобные заряды пьезоэлектричеством от греческого слова «давить». Соответственно, материалы, обладающие таким свойством, были отнесены ими к группе пьезоэлектриков.

Замечательное качество пьезоэлектрического эффекта – его обратимость, что иллюстрирует рисунок 1. Иначе говоря, любой пьезоэлектрический материал не только создает электрический заряд при давлении, но и начинает менять свой объем при нахождении в электрическом поле.

Рисунок 1. Прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты

Пьезоэлектрические устройства широко распространены в современной технике. Этому способствуют:

Немаловажное значение приобретает тот факт, что величина как самого заряда, так и механических перемещений в ряде случаев достаточны для их непосредственного использования без привлечения дополнительных усилителей

Дополнительные пьезоэффекты

Кристалл может поляризоваться при воздействии на пластинку сил на осях X, Y. Если действует сила F_x, то проявляется продольный эффект, а когда F_y – поперечный, при F_zзарядов не возникает. Кварцевый кристалл располагается на трех осях координат. Чтобы использовать пьезоэлектрические измерительные преобразователи, необходимо вырезать пластинку, которая укажет на эффект. Она имеет следующее описание:

Кварцевые пластинки применяются только в преобразователях, которые измеряют давление и силу. С учетом твердости материал сложно обработать, поэтому из него создают простую форму. Модуль постоянен при неизменяемой температуре. Если она увеличивается, то в этом случае происходит уменьшение модуля. Пьезоэлектрические свойства исчезают при температуре в 573 градуса по Цельсию.

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:

Напряжение усилителя и чувствительность определяются допустимой погрешностью, если дополнить включенный стабильный объем С₁. Формула: y_s = (ΔC_o+ ΔC_k)/(C_o+C_k+C₁). После преобразования получаем: S=U_bx/F. Если коэффициент увеличивается, соответственно, и эти переменные возрастают. Для измерительной цепи характерно:

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

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.

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.

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

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 пьезоэлектрического преобразователя

Описание устройства и цепей измерения

Пьезоэлектрический преобразователь давления имеет следующую структуру:

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: S_q= q/F или U_xx = d₁₁·F/C_o.

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.

Пьезоэлектрические свойства горных пород[править | править код]

Некоторые минералы горных пород обладают пьезоэлектрическим свойством за счёт того, что электрические оси этих минералов расположены не хаотично, а ориентированы преимущественно в одном направлении, поэтому одноимённые концы электрических осей («плюсы» или «минусы») группируются вместе. Это научное открытие было сделано в Институте физики Земли советскими учёными М. П. Воларовичем и Э. И. Пархоменко и занесено в Государственный реестр открытий СССР под № 57 с приоритетом от 1954 г. На основе этого открытия разработан пьезоэлектрический метод геологической разведки кварцевых, пегматитовых и хрусталеносных жил, которым сопутствуют золото, вольфрам, олово, флюорит и другие полезные ископаемые.

Преимущественные характеристики устройств

Пьезоэлектрический преобразователь имеет следующие достоинства:

ПЭП ускорения имеет следующую конструкцию:

Невзирая на массу, датчик достаточно стабилен и плотен. Работает в диапазоне 150 м/с2.

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

Физические свойства пьезоэлемента

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.

Прямой пьезоэффект модуля измеряется в единицах кулон/ньютон (К/Н). 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.

Для определения напряжения на электродах существует формула: U = q/C, в которой в свою очередь q = F d₃₃. 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 1000 Н (100 кг), то полученное напряжение составит уже 6 кВ.

Использование пьезоэффекта в технике

Прямой пьезоэффект используется:

Обратный пьезоэлектрический эффект используется:

Прямой и обратный эффект одновременно используются:

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:

А 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.

Области применения пьезоэлектрического преобразователя

Устройства с прямым эффектом используются в приборах, которые измеряют силу, давление, ускорение. У них высокий уровень частоты и жесткости. Аппараты с обратной связью применяют в ультразвуковых колебаниях, преобразовании напряжения в деформацию, уравновешивания. Если одновременно учитывают оба эффекта, то этот вариант подходит для пьезорезонаторов, которые преобразуют один вид энергии в другой достаточно быстро.

Положительные устройства, включенные в обратное направление, работают на автоматических колебаниях и применяются в генераторах. Область их применения обширна, так как они имеют высокую стабильность при правильном создании. Зачастую для достижения нужного эффекта и получения верных сведений используют несколько пьезорезонаторов.

Прямой и обратный пьезоэффект

Для прямого эффекта характерно следующее: используемый кристаллический материал образует решетку за счет заряженных ионов, расположенных в определенном порядке. В процессе разноименные частицы чередуются и производят взаимную компенсацию, в результате получается электрическая нейтральность. Кристаллы имеют особенности, которые обозначены следующим образом:

Если используемый материал в процессе направлен на силу F_x, то он деформируется, расстояние между положительными и отрицательными зарядами меняется, и происходит электризация направления в заданной оси. Все это выражается в формуле q = d₁₁F_x и является пропорциональным для силы. Коэффициент связан с веществом и его состоянием, имеет название – пьезоэлектрический модуль. Индексы определены силой и гранью, но если изменить направление, то эффект станет иным.

Пьезоэлектрический преобразователь при прямом процессе электризует кристаллы под воздействием внешних сил. Этот эффект возникает при влиянии веществ, являющихся электриками. Чтобы изготовить измерительные приборы, понадобятся кристаллы кварца. То есть принцип действия пьезоэлектрического преобразователя следующий: при прямом эффекте воздействие осуществляется через механику, а при обратном происходит деформация кристаллов.

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.

Некоторые области применения

Приведем только некоторые примеры пьезоэлектрической техники массового применения.

Ручная пьезозажигалка поступила в массовую продажу еще в 70-е гг. прошлого столетия. Электричество, появляющееся на кристалле при нажатии на клавишу, поступает на электроды, между которыми при разряде проскакивает искра и поджигает газ. В настоящее время встроенными элементами, рисунок 2 комплектуются газовые плиты средних и старших моделей.

Рисунок 2. Встраиваемый пьезоэлемент газовой плиты

Пьезофильтр популярен в электронике за счет того, что как механическая система пьезокристалл обладает очень высокой колебательной добротностью. В результате с его помощью можно существенно снизить ширину полосы расфильтровки и эффективно отделять сигналы друг от друга.

Гидролокатор использует кристалл как излучатель зондирующих акустических волн и приемник сигналов, отраженных от любого подводного препятствия (дно, рыба, дерево-топляк, подводная лодка и т.д.), рисунок 3.

Рисунок 3. Рабочий элемент рыболовного гидролокатора

Микроподвижки элементов фокусировки телекамер, электронно-механических коммутаторов оптических сигналов и иных элементов. Выгодны тем, создают линейное движение непосредственно без промежуточного преобразования из вращательного.

Зуммеры мобильных телефонов, которые сигнализируют вибрацией о вызове в беззвучном режиме.

Пьезоголовки струйных принтеров для управления процессами нанесения чернил на бумагу.

Применение

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. Данное техническое решение дает возможность экономии до 30% топливных ресурсов, используя колебания крыльев и самого фюзеляжа. 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. Даже десять километров такой пьезодороги выдадут около 5 МВт/час. Тротуары для пешеходов также внесут свой вклад в добычу электроэнергии

Данное направление очень интересное и перспективное, привлекающее внимание ученых многих стран

Что такое пьезоэлектрический эффект

Фоторезистор: основные параметры

Для чего нужно УЗО

Тяговый электродвигатель: назначение и применение

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.

Ультразвук
Преобразователи
Проектирование

Источник