Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Физика ультразвука, пьезоэлементы и выбор ультразвуковых датчиков

Физика ультразвука, пьезоэлементы (кристаллы) и правильный выбор ультразвуковых датчиков

14 февраля 2017

Уважаемые коллеги и друзья, мы начнем серию кратких статей которые описывают принципы ультразвуковой диагностики и применяемые в ней технологии. Мы намеренно будем подавать данные в кратком виде, не вдаваясь глубоко в принципы физических и математических методов построения изображений и работы программных и аналоговых фильтров. Цель написания данной серии статей – в форме брифинга представить посетителю сайта информацию о том, что и почему важно при выборе ультразвукового диагностического аппарата и принадлежностей к нему, а также какие функции и надстройки полезны, какова их практика применения и нужны ли они персонально Вам.

Сегодня статья посвящена физическим принципам диагностического ультразвука. Мы хотим в краткой форме осветить лишь то, что важно пользователю и покупателю ультразвуковой диагностической системы. Если вы хотите получить углубленные знания, мы рекомендуем вам обратится к замечательной книге, написанной профессором, доктором медицинских наук, замечательным авторитетным преподавателем кафедры биомедицинских систем и технологий Львом Васильевичем Осиповым – «Ультразвуковые диагностические приборы».

Мы намеренно не будем касаться очевидных вещей: применение того или иного датчика в зависимости от формы апертуры или частоты генерируемого ультразвука. Мы заглянем немного глубже и определим что же еще крайне важно знать при выборе ультразвукового датчика.

 

Физика ультразвука

По своей сути звук является механической волной с продольным распространением. Сам же ультразвук, который применяется в диагностической медицине, не что иное как механическая волна (звук) определенной частоты (от 1 МГц до 25 МГц).

 

Для того, чтобы ультразвук распространялся необходим субстрат (вещество), при этом колебания одной частицы вещества будут передавать другой и, таким образом, будет происходить передача энергии и распространение ультразвука.

Для того, чтобы получить ультразвук необходимой характеристики, используют ультразвуковые датчики в строении апертуры которых находятся пьезокристаллы (пьезоэлементы) – именно с помощью них и происходит генерация ультразвука, который потом, из-за плотного прилегания апертуры датчика к коже человека (благодаря использованию ультразвукового геля) передается от частицы к частице в теле человека. Сами ультразвуковые колебания генерируются с помощью пьезоэлектрического эффекта, который возникает при подаче электрического импульса на пьезокристалл в ультразвуковом датчике.

Сам пьезоэлектрический эффект разделяют на прямой и обратный. Именно пьезоэффект делает возможным использование отраженного эхосигнала ультразвуковым прибором. Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в возникновении электрического потенциала на гранях пьезокристалла при их смещении в следствии воздействия механических внешних сил (пьезокристалл сжимается и расширяется).

Получение обратного пьезоэлектрического эффекта связано с воздействием на пьезокристалл с помощью электрического напряжения (в следствии подобного воздействия также происходит смещение граней пьезокристалла). На пьезокристалл подается переменное напряжение высокой частоты, пьезокристалл начинает с высокой частотой сжиматься и расширяться, вокруг него возникает высокочастотное изменение давления, что и приводит к возникновению направленных колебаний, а это и есть необходимый нам ультразвук.

  

Выбор ультразвуковых датчиков.

В современном диагностическом приборе в апертуре ультразвукового датчика под специальным защитным материалом (похожим на резину) находятся пьезокристаллы - главный элемент, который отвечает за генерацию ультразвука нужной частоты. Сами пьезокристаллы выращивают органическим путем на специальных производствах и качество получаемого диагностического изображения линейно связано с качеством произведенного пьезокристалла. Также важно количество пьезокристаллов в апертуре, ведь чем больше пьезоэлементов, которые генерируют ультразвук, тем больше отраженного эхосигнала может получить прибор и, соответственно, тем более информативным будет диагностическое изображение.

При выборе датчика не стоит опираться только на форму апертуры и применение (линейный, конвексный, секторный фазированный, внутриполостной и т.д.). Форма апертуры и самого датчика прежде всего определяет его применимость в различных исследований. А вот на качество изображения будет влиять именно плотность расположения пьезоэлементов (пьезокристаллов) в датчике и однородность характеристик отдельных пьезоэлементов.

Подведем итог всего вышеописанного в некой произвольной форме, которая, как нам кажется, будет полезна посетителю нашего сайта:

  1. 1.     Датчик если не самый важный элемент аппарата для УЗИ, то один из главных. От него зависит около 70% качества диагностического изображения;
  2. 2.     Выбирая датчик, обратите внимание на количество пьезоэлементов и плотность их расположения (например: линейный датчик с апертурой 38мм может содержать как 128 так и 192, 256, 512, 1000+ элементов).
  3. 3.     Если вы рассматриваете к покупке не оригинальный ультразвуковой датчик, а совместимый (стороннего производства), то подходите к такой покупке крайне аккуратно.

 

О совместимых датчиках хотелось бы добавить следующее: Производитель ультразвукового прибора крайне претенциозно относится к контролю качества над производством датчиков (и не удивительно, так как при плохом датчике обязательно будет плохая визуализация у любой, самой технологичной ультразвуковой системы).

Производителю совместимого датчика, напротив, совсем не нужно так внимательно следить за качеством, такие производители преследуют свои цели: снижение себестоимости для того, чтобы успешно конкурировать с другими, более крупными и официальными производствами.

Безусловно не нужно расценивать выше написанное как информацию о том, что все совместимые датчики плохие. Конечно нет. Просто производство и продажа не оригинального совместимого датчика для ультразвукового аппарата оставляет огромное поле для маневра в случае, если кто-то захочет вас обмануть. Посудите сами: будете ли вы спрашивать количество элементов внутри датчика перед приобретением? Сможете ли вы проверить, что элементов именно столько, сколько вам назвали? Есть ли у вас возможность воспользоваться очень дорогим фантомом для определения КПД кристаллов датчика?

Как и в абсолютно любом деле, осведомленность и знания очень важны. Если вы планируете приобрести ультразвуковую диагностическую систему и/или ультразвуковой датчик, то обязательно обращайте внимание на описанные выше немаловажные детали. Если же вы планируете покупку в нашей компании, то вы можете задать все необходимые вопросы одному из наших менеджеров по контактным данным, опубликованным на сайте. 

Мы желаем вам удачной покупки!

Коллектив ООО "Медфорд"

Назад

Статья "Датчики аппаратов ультразвуковой диагностики являются уникальными устройствами"

Статья “Датчики аппаратов ультразвуковой диагностики являются уникальными устройствами” опубликована в профильном журнале “Медицинский Бизнес” (№12/2011).

Статья посвящена особенностям эксплуатации ультразвуковых датчиков.

“Можно рассматривать сонографию как 6-чувство – способность видеть внутренние ткани человека при помощи ультразвука. В этом случае датчик и является органом 6-чувства, сочетая в себе свойства уха как органа слуха и глаза как органа зрения. Как и любые человеческие органы датчики также подвержены таким явлениям как болезни и старения.

Поэтому говоря языком врачей вполне уместно употреблять терминологию «патологии датчиков».

Анатомия датчика. Ультразвуковой датчик состоит из коннектора, соединительного кабеля и сканирующей головки.  Сканирующая головка содержит в себе пьезокристалл – это и есть элемент, ответственный за работу датчика. Он одновременно является и передающим устройством, излучающим акустические волны, преобразуя переменный электрический ток в акустические колебания. Одновременно кристалл является и чувствительнейшим приемником акустических волн, обратно преобразуя   их в переменный электрический том. Отраженный ультразвуковой сигнал является настолько слабым, что кристалл должен обладать огромной чувствительностью, чтобы уловить его. Поверхность кристалла разделена на элементы, каждый из которых и является чувствительным элементом.

Перед кристаллом располагается акустическая линза, отвечающая за фокусировку акустической волны, за передачу сигнала от кристалла к телу пациента. Она же защищает чувствительный кристалл от любых внешних воздействий. Кристалл и акустическая линза заключены в неразборный пластиковый корпус, и все вместе называются сканирующей головкой. Кабель служит для соединения сканирующей головки с коннектором. Внутри изолирующей оболочки расположен жгут из коаксиальных проводов. К каждому элементу идет свой провод, таким количество проводов может достигать 256. При помощи коннектора датчик присоединяется непосредственно к УЗИ аппарату. Как в коннекторе, так и в сканирующей головке могут располагаться различные электронные компоненты, усилители сигнала, устройства, обеспечивающие идентификацию датчика ультразвуковым аппаратом.

Рабочая частота является важнейшей характеристикой датчика. Желательно стремиться использовать датчики с большей частотой, так как они обеспечивают более высокое качество изображения, однако следует помнить, что при этом уменьшается глубина исследования. Поэтому выбор частоты датчика обусловлен максимальной глубиной расположения органов и структур, представляющих интерес для врача-диагноста. В ряде случаев при обследовании тучных пациентов приходится применять датчики с частотой 2,5 МГц, у которых максимальная рабочая глубина до 250 мм, однако разрешающая способность при использовании таких датчиков и, следовательно, качество изображения хуже, чем при частоте 3,5 МГц. С другой стороны, для обследования структур, расположенных на очень малых глубинах, применяются датчики с частотой более 10 МГц.

Дефекты датчиков. Каким же болезням подвержен датчик, что ведет к его повреждению? Все возникшее дефекты можно разделить на две группы – естественно старение и дефекты, связанные с нарушением правил и условий эксплуатации датчиков.”

Пьезоэлектрический генератор электрической мощности / Хабр

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.

Акустические датчики для регистрации импульсов частичных разрядов

Акустические датчики предназначены для контактной и бесконтактной регистрации импульсов частичных разрядов в высоковольтном оборудовании. Датчики хотя и называются акустическими, но основной частотный диапазон для них существенно выше порога слышимости человеческого уха – это ультразвуковые колебания от 30 кГц и выше, у некоторых датчиков даже до 300 кГц.

При контактном измерении частичных разрядов акустическими датчиками регистрируются колебания конструкций высоковольтного оборудования, обычно поверхностей баков и корпусов. Наилучшие результаты при контактном измерении частичных разрядов получаются в том случае, когда баки оборудования заполнены жидкой средой, обычно изолирующим и охлаждающим маслом, которое является идеальной средой для распространения акустических импульсов. При бесконтактном измерении частичных разрядов акустическим датчиком регистрируются колебания, передающиеся непосредственно по воздуху. Поскольку воздух менее плотен, чем жидкости, то реальная чувствительность акустических измерений в этом случае оказывается существенно более низкой, чем при контактном измерении.

По принципу своей работы акустические датчики для измерения частичных разрядов бывают двух типов – зарезонансные и резонансные. Разница между этими датчиками однозначно определена в их названии:

  • Зарезонансные акустические датчики позволяют регистрировать сигналы на частотах, превышающих частоту собственного (механического) резонанса пьезокристалла, являющегося частью общей конструкции датчика. (Для справки: датчики регистрации вибрационных процессов в механических конструкциях работают на частотах, которые ниже частоты собственного резонанса пьезокристалла вибродатчиков)

Для надежной регистрации импульсов частичных разрядов частота собственного резонанса датчика должна быть не больше 15 ÷ 20 кГц, тогда при помощи этого датчика можно регистрировать импульсы с частотой от 30 кГц и выше. Чтобы полностью исключить влияние резонансных колебаний пьезокристалла на выходе датчика, внутрь его обязательно встраивается электронный фильтр, подавляющий колебания на резонансной частоте, и все более низкие частоты. Выходной сигнал зарезонансного датчика обычно имеет ту же частоту, что и регистрируемые колебания конструкции оборудования.

  • Резонансные акустические датчики для регистрации импульсов частичных разрядов работают на частоте собственного установочного резонанса пьезокристалла, оптимальное значение которого для таких датчиков обычно составляет 40 кГц. Вне зависимости от частоты регистрируемого акустического сигнала выходной сигнал резонансного датчика всегда имеет эту частоту 40 кГц, то есть пьезокристалл импульсно возбуждается от внешнего акустического воздействия и «звенит» на собственной частоте.

Длительность затухания резонансных колебаний на выходе датчика почти полностью зависит от механической добротности конструкции датчика и очень мало связана с параметрами акустического импульса. Резонансный принцип работы пьезокристалла обеспечивает высокую чувствительность такого датчика при сравнительно невысокой цене. Однако при использовании резонансных датчиков происходит потеря части первичной информации о контролируемом импульсе – отсутствует возможность анализировать его частоту и некоторые другие параметры.

Основным достоинством применения всех акустических датчиков является то, что их выходная информация наиболее просто поддается расшифровке и анализу, она доступна и понятна персоналу для проведения различных типов диагностики и локации на интуитивном уровне.

Вторым важным достоинством акустических датчиков является сравнительная простота и оперативность монтажа на заземленных поверхностях высоковольтного оборудования, особенно если в их конструкции уже заложено использование магнитного крепления. Поскольку акустические датчики обычно используются или для проведения контактных измерений на заземленных элементах оборудования, или же для дистанционного контроля частичных разрядов, то работа с ними обычно не представляет опасностей для персонала.

Самым большим недостатком применения различных акустических датчиков для регистрации частичных разрядов является наличие в их выходном сигнале большого уровня паразитного шума, наведенного на датчик извне от которого обычно бывает очень трудно избавиться. Второй недостаток заключается в том, что при проведении диагностики оборудования больших габаритов, например, мощных силовых трансформаторов, приходится многократно перемещать датчик по поверхности бака, так как реальная зона распространения акустических импульсов в таких сложных объектах бывает очень ограниченной из-за сильного внутреннего затухания.

Акустический датчик частичных разрядов марки «AC-Sensor»

Акустический датчик марки «AC-Sensor» предназначен для проведения контактной регистрации импульсов частичных разрядов на поверхности баков и конструкций различного высоковольтного оборудования. Он может быть применен для контроля состояния изоляции силовых и измерительных трансформаторов, выключателей, КРУ и КРУЭ, высоковольтных кабельных муфт и т. д.

По принципу своего действия «AC-Sensor» является акустическим датчиком частичных разрядов классического зарезонансного типа, в котором частота установочного механического резонанса пьезокристалла находится ниже минимальной границы частотного диапазона регистрируемых импульсов частичных разрядов. Большое количество подобных датчиков применяется в системах акустико–эмиссионного контроля состояния сложных и ответственных механических объектов и сооружений, где они регистрируют акустические импульсные сигналы от механических дефектов внутри конструкций.

Акустический датчик марки «AC-Sensor» может поставляться в стальном или алюминиевом корпусе, в зависимости от среды и условий, в которых ему предстоит работать. В состав поставки датчика для переносных приборов может входить интегрирование в конструкцию корпуса магнитное крепление.

Датчик марки «AC-Sensor» может поставляться в едином модуле с датчиками других типов, что упрощает монтаж сложных систем мониторинга. В состав поставки могут входить различные монтажные и установочные корпуса, уникальная оснастка для надежного крепления, которая разрабатывается в зависимости от предполагаемого места установки датчика.

Присоединение датчика к измерительному прибору производится при помощи обычного коаксиального разъема. При использовании в составе стационарных систем мониторинга датчик может быть поставлен с неразъемно встроенным коаксиальным кабелем необходимой длины.

Внешнее напряжение питания 12В, требуемое для встроенной электроники и фильтров датчика, подается в датчик по тому же коаксиальному кабелю, по которому происходит передача выходного сигнала в измерительный прибор.

Амплитудно-частотная характеристика датчика марки «AC-Sensor» получена при жестком болтовом креплении датчика на поверхности контролируемого оборудования. Если же для монтажа датчика используется быстросъемное магнитное крепление, то в этом случае необходимо обязательно применять дополнительные меры по повышению акустической проницаемости переходного зазора «датчик – корпус оборудования». Если этого не делать, то на переходном зазоре будет происходить сильное затухание сигнала. Наибольшая опасность будет в том, что затухание для разных частот будет разным, что впоследствии сильно затруднит проведение анализа и диагностику дефектов в изоляции контролируемого оборудования.

Резонансный акустический датчик частичных разрядов марки «AR-Sensor»

Акустический датчик частичных разрядов марки «AR-Sensor» предназначен для проведения оперативных измерений, используется с переносными приборами для поиска дефектов в изоляции. Датчик «AR-Sensor» может применяться в стационарных системах мониторинга и диагностики для проведения дистанционного контроля наличия частичных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования.

Акустический датчик частичных разрядов марки «AR-Sensor» работает в резонансном режиме на частоте установочного резонанса пьезокристалла, равной 40 кГц. Датчик регистрирует акустические импульсы, передаваемые от места возникновения дефекта в изоляции по воздуху в зоне прямой видимости. Вне зависимости от частоты регистрируемых акустических колебаний в выходном сигнале датчика «AR-Sensor» преобладающими являются импульсные затухающие колебания на частоте собственного резонанса пьезокристалла.

Датчик «AR-Sensor» состоит из собственно пьезокристалла и дополнительной электронной платы, предназначенной для повышения чувствительности датчика. Питание для электронной платы датчика подается по тому же экранированному кабелю, по которому производится регистрация выходного сигнала датчика.

По схеме своего подключения к измерительному прибору акустические датчики «AC-Sensor» и «AR-Sensor» взаимозаменяемы. Оба датчика могут быть подключены к одинаковым входным каналам измерительных приборов, которые производятся фирмой «DIMRUS».

Благодаря хорошей диаграмме направленности и высокой чувствительности датчик марки «AR-Sensor» позволяет достаточно эффективно отстраиваться от внешних акустических импульсных помех. Это дает возможность использовать его не только с переносными приборами, но и в составе различных систем стационарного мониторинга частичных разрядов. Для этого датчик «AR-Sensor» стационарно монтируется рядом с контролируемым высоковольтным оборудованием и направляется на наиболее критические и ответственные зоны изоляции высоковольтного оборудования.

Скачать документацию по датчикам

Похожие материалы:

Как работают пьезоэлектрические кристаллы в производстве электричества

Пьезо кристаллы

Пьезокристаллы , особые минералы с электромагнитными свойствами, могут создавать электрическое поле всякий раз, когда они механически деформированы или подвержены вибрации, обычно известной как пьезоэлектрический эффект. Кроме того, пьезоэлементы имеют небольшие положительно заряженные частицы в центре. Эта маленькая частица вынуждена двигаться и создавать заряд всякий раз, когда на кристалл действует сила. И это электрическое поле способно производить напряжение.

Датчик обычно используется для пьезокристаллов. Как только сила будет применена, она создаст сигнал. И теперь ученые изучают, как использовать эту энергию в качестве альтернативной «зеленой» энергии.

Малый Электричество

Поскольку пьезокристалл создает довольно низкий электрический заряд, они используются в приложениях с высокой частотой повторения, чтобы компенсировать это. Например, создание электричества использует личную человеческую силу, используя пьезоэнергию.

Каждый день люди будут двигаться тысячи раз. Кристалл генерирует небольшой заряд на каждом этапе пути, поскольку пьезокристаллы встраиваются в повседневную одежду, как обувь. Со временем эти небольшие заряды будут накапливаться до тех пор, пока сумма не станет значительной, и тогда вы сможете использовать эту энергию для полной зарядки личной электроники, такой как мобильные телефоны и MP3-плееры.

Крупномасштабное электричество

Связывание множества отдельных кристаллов — это еще один способ использования пьезоэлектрической энергии, поскольку небольшие заряды из каждого кристалла могут создать один большой источник энергии.

Пьезоэлектрические кристаллы встраиваются в лестницы и напольные плитки в местах с интенсивным движением, таких как станции метро и тротуары, и все эти отдельные генераторы связаны между собой. Система собирает энергию, когда толпы людей проходят по территории и генерируют силу.

Пьезоэлектрическая энергия является полностью чистой и возобновляемой. С развитием технологий и методов обучения люди будут создавать системы, которые генерируют энергию на многих разных уровнях, а отдельные источники будут работать вместе для достижения энергетической независимости.

Ультразвуковые продукты, которые мы предлагаем

Random Products

Английский Французский Испанский Итальянский Немецкий Португальский, Португалия Корейский Турецкий Хинди

Из чего сделан пьезоэлемент

Пьезоэлектричество — эффект продуцирования веществом (кристаллом) электрической силы при изменении формы.

Содержание

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.

Пьезоэлектричество — эффект продуцирования веществом (кристаллом) электрической силы при изменении формы.

Содержание

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.

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

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.

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].

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

, (3)

где с – скорость звука в материале, м/с [2]

Этот коэффициент может быть вычислен через резонансную и антирезонансную частоту по формуле.

, (4)

Чтобы измерить эти частоты обычно используется анализатор импеданса, с помощью которого можно получить зависимость сопротивления от частоты пьезокерамики (рисунок 6).

По своей природе, резонансная частота возникает, когда система имеет очень маленькое сопротивление, в то время как антирезонанс происходит, когда система имеет очень большое сопротивление. На рисунке 6 частота которая имеет минимальное сопротивление считается резонансной ( fr), а частота с максимальным сопротивлением – антирезонансной ( fa).

Рисунок 5 – Виды колебаний образцов пьезокерамики разной формы


Рисунок 6 – Зависимость сопротивления от частоты у пьезокерамики [6]

, (5)

  • где Δxs – изменение толщины пластины, м,
  • Us – приложенное напряжение, В

Полезно помнить, что большие значения dij приводят к большим механическим смещениям, что обычно добивается при проектировании ультразвуковых преобразователей. d33 применяют, когда сила направлена в направлении оси поляризации (рисунок 5г). d31 используют, когда сила прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом заряд возникает на электродах, так же как и в предыдущем случае (рисунок 5б). d15 показывает, что заряд накапливается на электродах, которые находятся под прямым углом к изначальным поляризующим электродам и что получаемые механические колебания являются сдвиговыми (рисунок 5д).

Пьезоэлектрическая константа давления gij – отношение полученного напряжения к приложенному давлению.

, (6)

Индекс “33” показывает, что электрическое поле и механическое напряжение направлены по оси поляризации. Индекс “31” означает, что давление прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом напряжение снимается с тех же самых электродов, что и в случае “33”. Индекс “15” подразумевает, что приложенное напряжение является сдвиговым и результирующее электрическое поле перпендикулярно к оси поляризации. Высокое значение gij ведет к большим выходным напряжениям, что является желательным для сенсоров.

, (7)

  • где µ – коэффициент Пуассона,
  • Δa – абсолютное приращение толщины, м,
  • a – толщина после деформации, м,
  • Δl – абсолютное приращение длины, м,
  • l – длина после деформации, м

, (8)

  • где ТКЧ – температурный коэффициент резонансной частоты, ppm/˚С,
  • f(t1) – резонансная частота при температуре t1, Гц,
  • f(t2) – резонансная частота при температуре t2, Гц,
  • f20 – резонансная частота при температуре 20˚С, Гц,
  • Δt – разница температур Δt = t2 – t1, ˚С

, (9)

  • где ТКЕ – температурный коэффициент емкости, ppm/˚С,
  • C(t1) – емкость при температуре t1, Ф,
  • C(t2) – емкость при температуре t2, Ф,
  • C20 – емкость при температуре 20˚С, Ф

, (10)

  • где ТКЛР – температурный коэффициент линейного расширения, ppm/˚С,
  • l(t1) – длина при температуре t1, м,
  • l(t2) – длина при температуре t2, м,
  • l20 – длина при температуре 20˚С, м

, (11)

  • где AR – скорость старения для резонансной частоты или емкости,
  • t1, t2 – число дней после поляризации,
  • , – резонансная частота или емкость через t1 и t2 дней после поляризации

, (12)

  • где Qm – механическая добротность,
  • fr – резонансная частота, Гц,
  • fa – антирезонансная частота, Гц,
  • Zr – сопротивление при резонансе, Ом,
  • С – емкость, Ф

Изделия, основанные на пьезоэлектрическом резонансе, требуют высокой механической добротности.

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.

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].

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].

Из чего сделан пьезоэлемент | Gadget-apple.ru

Пьезоэлектричество — эффект продуцирования веществом (кристаллом) электрической силы при изменении формы.

Содержание

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.

Пьезоэлектричество — эффект продуцирования веществом (кристаллом) электрической силы при изменении формы.

Содержание

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.

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

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.

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].

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)

, (3)

где с — скорость звука в материале, м/с [2]

Этот коэффициент может быть вычислен через резонансную и антирезонансную частоту по формуле.

, (4)

Чтобы измерить эти частоты обычно используется анализатор импеданса, с помощью которого можно получить зависимость сопротивления от частоты пьезокерамики (рисунок 6).

По своей природе, резонансная частота возникает, когда система имеет очень маленькое сопротивление, в то время как антирезонанс происходит, когда система имеет очень большое сопротивление. На рисунке 6 частота которая имеет минимальное сопротивление считается резонансной ( fr), а частота с максимальным сопротивлением — антирезонансной ( fa).

Рисунок 5 — Виды колебаний образцов пьезокерамики разной формы


Рисунок 6 — Зависимость сопротивления от частоты у пьезокерамики [6]

, (5)
  • где Δxs — изменение толщины пластины, м,
  • Us — приложенное напряжение, В

Полезно помнить, что большие значения dij приводят к большим механическим смещениям, что обычно добивается при проектировании ультразвуковых преобразователей. d33 применяют, когда сила направлена в направлении оси поляризации (рисунок 5г). d31 используют, когда сила прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом заряд возникает на электродах, так же как и в предыдущем случае (рисунок 5б). d15 показывает, что заряд накапливается на электродах, которые находятся под прямым углом к изначальным поляризующим электродам и что получаемые механические колебания являются сдвиговыми (рисунок 5д).

Пьезоэлектрическая константа давления gij — отношение полученного напряжения к приложенному давлению.

, (6)

Индекс «33» показывает, что электрическое поле и механическое напряжение направлены по оси поляризации. Индекс «31» означает, что давление прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом напряжение снимается с тех же самых электродов, что и в случае «33». Индекс «15» подразумевает, что приложенное напряжение является сдвиговым и результирующее электрическое поле перпендикулярно к оси поляризации. Высокое значение gij ведет к большим выходным напряжениям, что является желательным для сенсоров.

, (7)
  • где µ — коэффициент Пуассона,
  • Δa — абсолютное приращение толщины, м,
  • a — толщина после деформации, м,
  • Δl — абсолютное приращение длины, м,
  • l — длина после деформации, м

, (8)
  • где ТКЧ — температурный коэффициент резонансной частоты, ppm/˚С,
  • f(t1) — резонансная частота при температуре t1, Гц,
  • f(t2) — резонансная частота при температуре t2, Гц,
  • f20 — резонансная частота при температуре 20˚С, Гц,
  • Δt — разница температур Δt = t2 — t1, ˚С

, (9)
  • где ТКЕ — температурный коэффициент емкости, ppm/˚С,
  • C(t1) — емкость при температуре t1, Ф,
  • C(t2) — емкость при температуре t2, Ф,
  • C20 — емкость при температуре 20˚С, Ф

, (10)
  • где ТКЛР — температурный коэффициент линейного расширения, ppm/˚С,
  • l(t1) — длина при температуре t1, м,
  • l(t2) — длина при температуре t2, м,
  • l20 — длина при температуре 20˚С, м

, (11)
  • где AR — скорость старения для резонансной частоты или емкости,
  • t1, t2 — число дней после поляризации,
  • , — резонансная частота или емкость через t1 и t2 дней после поляризации

, (12)
  • где Qm — механическая добротность,
  • fr — резонансная частота, Гц,
  • fa — антирезонансная частота, Гц,
  • Zr — сопротивление при резонансе, Ом,
  • С — емкость, Ф

Изделия, основанные на пьезоэлектрическом резонансе, требуют высокой механической добротности.

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.

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].

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].

НАШ САЙТ РЕКОМЕНДУЕТ:

Метки:  

Как работает пьезоэлектричество | ОРЕЛ

Пьезо что? Кажется, это сложно понять, но это легко понять. Слово пьезоэлектрический происходит от греческого слова piezein, что буквально означает сжимать или давить. Вместо того чтобы сжимать виноград, чтобы сделать вино, мы сжимаем кристаллы, чтобы создать электрический ток! Пьезоэлектричество встречается в тоннах повседневных электронных устройств, от кварцевых часов до динамиков и микрофонов. В двух словах:

Пьезоэлектричество - это процесс использования кристаллов для преобразования механической энергии в электрическую или наоборот.

Обычные кристаллы характеризуются своей организованной и повторяющейся структурой атомов, которые удерживаются вместе связями, это называется элементарной ячейкой. Большинство кристаллов, таких как железо, имеют симметричную элементарную ячейку, что делает их бесполезными для пьезоэлектрических целей.

( Источник изображения )

Есть и другие кристаллы, которые объединяются в пьезоэлектрических материалов . Структура этих кристаллов несимметрична, но они все еще находятся в электрически нейтральном балансе. Однако, если вы приложите механическое давление к пьезоэлектрическому кристаллу, структура деформируется, атомы будут выталкиваться, и внезапно вы получите кристалл, который может проводить электрический ток. Если взять тот же пьезоэлектрический кристалл и подать на него электрический ток, кристалл будет расширяться и сжиматься, преобразовывая электрическую энергию в механическую.

( Источник изображения )

Типы пьезоэлектрических материалов

Существуют различные пьезоэлектрические материалы, которые могут проводить электрический ток, как искусственный, так и естественный.Наиболее известным и первым пьезоэлектрическим материалом, используемым в электронных устройствах, является кристалл кварца. Другие природные пьезоэлектрические материалы включают тростниковый сахар, соль Рошель, топаз, турмалин и даже кость.

Кристалл кварца. ( Источник изображения )

Поскольку пьезоэлектрические технологии начали развиваться после Первой мировой войны, мы начали разработку искусственных материалов, которые по своим характеристикам не уступали кварцу. К искусственным пьезоэлектрическим материалам относятся:

PZT изготовлен из цирконата-титаната свинца и может производить большее напряжение, чем кварц, при том же механическом давлении.

Пьезокерамика PZT, используемая в ультразвуковых датчиках. ( Источник изображения )

Титанат бария - керамический пьезоэлектрический материал, который был открыт во время Второй мировой войны и известен своей долговечностью.

Титанат бария. ( Источник изображения )

Ниобат лития - это материал, который объединяет кислород, литий и нобий вместе в керамический материал, который по своим свойствам аналогичен титанату бария.

Ниобат лития. ( Источник изображения )

Как работает пьезоэлектричество

У нас есть специальные материалы, которые подходят для пьезоэлектричества, но как именно работает этот процесс? С пьезоэлектрическим эффектом. Самая уникальная черта этого эффекта в том, что он работает двумя способами. Вы можете приложить механическую или электрическую энергию к тому же пьезоэлектрическому материалу и получить противоположный результат.

Приложение механической энергии к кристаллу называется прямым пьезоэлектрическим эффектом и работает следующим образом:

  1. Пьезоэлектрический кристалл помещен между двумя металлическими пластинами.На этом этапе материал находится в идеальном балансе и не проводит электрический ток.
  2. Металлические пластины затем прикладывают к материалу механическое давление, которое нарушает баланс электрических зарядов внутри кристалла. На противоположных сторонах грани кристалла появляются избыточные отрицательные и положительные заряды.
  3. Металлическая пластина собирает эти заряды, которые можно использовать для создания напряжения и передачи электрического тока через цепь.

( Источник изображения )

Вот и все, простое приложение механического давления, сжатие кристалла и внезапно возникает электрический ток.Вы также можете сделать обратное, подав электрический сигнал на материал в виде обратного пьезоэлектрического эффекта . Работает так:

  1. В той же ситуации, что и в примере выше, у нас есть пьезоэлектрический кристалл, расположенный между двумя металлическими пластинами. Структура кристалла идеально сбалансирована.
  2. Затем к кристаллу прикладывается электрическая энергия, которая сжимается и расширяет структуру кристалла.
  3. По мере того, как структура кристалла расширяется и сжимается, он преобразует полученную электрическую энергию и высвобождает механическую энергию в виде звуковой волны.

( Источник изображения )

Обратный пьезоэлектрический эффект используется во множестве приложений. Возьмем, к примеру, динамик, который подает напряжение на пьезоэлектрическую керамику, заставляя материал вибрировать в воздухе в виде звуковых волн.

Открытие пьезоэлектричества

Пьезоэлектричество было впервые открыто в 1880 году двумя братьями и французскими учеными, Жаком и Пьером Кюри. Экспериментируя с множеством кристаллов, они обнаружили, что приложение механического давления к определенным кристаллам, таким как кварц, высвобождает электрический заряд.Они назвали это пьезоэлектрическим эффектом.

Пьер Кюри с женой Марией в своей лаборатории. ( Источник изображения )

В следующие 30 лет пьезоэлектричество использовалось в основном для лабораторных экспериментов и дальнейшего совершенствования. Только в Первой мировой войне пьезоэлектричество использовалось для практических применений в гидролокаторах. Сонар работает путем подачи напряжения на пьезоэлектрический передатчик. Это обратный пьезоэлектрический эффект, который преобразует электрическую энергию в механические звуковые волны.

( Источник изображения )

Звуковые волны проходят через воду, пока не ударяются о предмет. Затем они возвращаются к исходному приемнику. Этот приемник использует прямой пьезоэлектрический эффект для преобразования звуковых волн в электрическое напряжение, которое затем может обрабатываться устройством обработки сигнала. Используя время между уходом сигнала и его возвратом, можно легко рассчитать расстояние до объекта под водой.

С успехом сонара пьезоэлектричество привлекло внимание военных.Вторая мировая война продвинула технологию еще дальше, поскольку исследователи из США, России и Японии работали над созданием новых искусственных пьезоэлектрических материалов, называемых сегнетоэлектриками. Это исследование привело к созданию двух искусственных материалов, которые используются наряду с кристаллами природного кварца, титанатом бария и титанатом цирконата свинца.

Пьезоэлектричество сегодня

В современном мире электроники пьезоэлектричество используется повсеместно. Когда вы спрашиваете Google, как добраться до нового ресторана, в микрофоне используется пьезоэлектричество. В Токио есть даже метро, ​​которое использует силу человеческих шагов для питания пьезоэлектрических структур в земле. Пьезоэлектричество используется в следующих электронных приложениях:

Приводы

Приводы

используют пьезоэлектричество для питания таких устройств, как вязальные машины и машины Брайля, видеокамеры и смартфоны. В этой системе металлическая пластина и исполнительное устройство скрепляют вместе пьезоэлектрический материал. Затем к пьезоэлектрическому материалу прикладывается напряжение, которое расширяется и сжимается.Это движение также заставляет привод двигаться.

( Источник изображения )

Динамики и зуммеры

В динамиках

пьезоэлектричество используется для питания таких устройств, как будильники и других небольших механических устройств, для которых требуется высокое качество звука. Эти системы используют обратный пьезоэлектрический эффект путем преобразования звукового сигнала напряжения в механическую энергию в виде звуковых волн.

( Источник изображения )

Драйверы

Драйверы

преобразуют низковольтную батарею в более высокое напряжение, которое затем можно использовать для управления пьезоустройством.Этот процесс усиления начинается с генератора, который выдает синусоидальные волны меньшего размера. Эти синусоидальные волны затем усиливаются пьезоусилителем.

( Источник изображения )

Датчики

Датчики

используются в различных приложениях, таких как микрофоны, гитары с усилителями и медицинское оборудование для визуализации. В этих устройствах используется пьезоэлектрический микрофон для обнаружения изменений давления в звуковых волнах, которые затем могут быть преобразованы в электрический сигнал для обработки.

( Источник изображения )

Мощность

Одно из самых простых применений пьезоэлектричества - это зажигалка для сигарет. Нажатие кнопки зажигалки выпускает подпружиненный молоток в пьезоэлектрический кристалл. Это создает электрический ток, который проходит через искровой промежуток, нагревая и воспламеняя газ. Эта же пьезоэлектрическая система питания используется в более крупных газовых горелках и плитах духовок.

( Источник изображения )

Двигатели

Пьезоэлектрические кристаллы идеально подходят для приложений, требующих высокой точности, таких как движение двигателя.В этих устройствах пьезоэлектрический материал получает электрический сигнал, который затем преобразуется в механическую энергию, чтобы заставить керамическую пластину двигаться.

( Источник изображения )

Пьезоэлектричество и будущее

Что ждет пьезоэлектричество в будущем? Возможностей предостаточно. Одна популярная идея, которую выдвигают изобретатели, - это использование пьезоэлектричества для сбора энергии. Представьте себе, что в вашем смартфоне есть пьезоэлектрические устройства, которые можно активировать простым движением вашего тела, чтобы они оставались заряженными.

Если подумать немного шире, вы также можете встроить пьезоэлектрическую систему под тротуарную дорогу, которая может приводиться в действие колесами проезжающих автомобилей. Эту энергию затем можно было использовать для светофоров и других близлежащих устройств. Добавьте к этому дорогу, заполненную электромобилями, и вы окажетесь в чистой положительной энергетической ситуации.

Хотите помочь продвинуть пьезоэлектричество в будущее? Autodesk EAGLE предлагает массу бесплатных пьезобиблиотек, готовых для использования в вашем следующем проекте.Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня!

Пьезоэлектричество - как это работает?

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 11 декабря 2020 г.

Вы, наверное, использовали пьезоэлектричество (произносится как «пи-ай-зо-электричество»). довольно много раз сегодня. Если у вас есть кварцевые часы, пьезоэлектричество - это то, что помогает ему сохранять правильное время. Если ты был написать письмо или сочинение на вашем компьютере с помощью программное обеспечение для распознавания голоса, микрофон, в который вы говорили, вероятно, использовал пьезоэлектричество, чтобы превратить звуковую энергию вашего голоса в электрические сигналы, которые ваш компьютер может интерпретировать.Если ты немного аудиофил и любит слушать музыку на виниле, ваш граммофон использовал бы пьезоэлектричество, чтобы «читать» звуки из ваши пластинки LP. Пьезоэлектричество (буквально «давящее электричество») намного проще, чем кажется: это просто означает использование кристаллов для преобразования механической энергии в электричество или наоборот. Давайте подробнее разберемся, как это работает и почему это так полезно!

Фото: пьезоэлектрический привод, используемый НАСА для различных испытаний. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром НАСА в Лэнгли (NASA-LaRC).

Что такое пьезоэлектричество?

Выдавите определенные кристаллы (например, кварц), и вы сможете электричество проходит через их. Обычно верно и обратное: если вы пропускаете электричество через те же кристаллы они «сжимаются», вибрируя взад и вперед. Вкратце, это пьезоэлектричество но, ради науки, дадим формальное определение:

Пьезоэлектричество (также называемое пьезоэлектрическим эффектом) - это появление электрического потенциала (другими словами, напряжения) через стороны кристалла, когда вы подвергаете его механическому стресс (сжимая его).

На практике кристалл становится своего рода крошечный аккумулятор с положительным зарядом на одной грани и отрицательным зарядом на противоположном лице; ток течет, если мы соединим две грани вместе, чтобы сделать схему. В обратном пьезоэффекте a кристалл становится механически напряженным (деформируется по форме), когда напряжение приложено к его противоположным граням.

Что вызывает пьезоэлектричество?

Представьте кристалл, и вы, вероятно, представите шары (атомы), закрепленные на стержнях (связях, держите их вместе), немного похоже на каркас для лазанья.Теперь кристаллами, ученые не обязательно имеют в виду любопытные куски камня, которые вы найдете в сувенирных магазинах: кристалл - научное название любого твердый, чей атомы или молекулы расположены очень упорядоченным образом на основе бесконечное повторение одного и того же основного строительного блока атома (называется элементарной ячейкой). Так кусок железо - это такой же кристалл, как и кусок кварца. В кристалле то, что у нас есть, на самом деле меньше похоже на карабин. (который не обязательно имеет упорядоченную повторяющуюся структуру) и больше нравятся объемные, узорчатые обои.

Изображение: Что ученые подразумевают под кристаллом: правильное, повторяющееся расположение атомов в твердом теле. Атомы практически неподвижны, но могут слегка колебаться.

В большинстве кристаллов (например, металлов) элементарная ячейка (основная повторяющаяся единица) симметрична; в пьезоэлектрических кристаллах это не так. Обычно пьезоэлектрические кристаллы электрически нейтральны: атомы внутри них не могут быть симметрично расположены, но их электрические заряды идеально сбалансированный: положительный заряд в одном месте нейтрализует отрицательный зарядить поблизости.Однако если сжать или растянуть пьезоэлектрический кристалл, вы деформируете структуру, подталкивая некоторые атомы ближе вместе или дальше друг от друга, нарушая баланс положительного и отрицательный и вызывает появление чистых электрических зарядов. Этот эффект пронизывает всю структуру, так что чистые положительные и отрицательные заряды появляются на противоположных внешних гранях кристалла.

Обратный пьезоэлектрический эффект происходит наоборот. Положите напряжение на пьезоэлектрическом кристалле, и вы подвергаете атомы внутри него до «электрического давления». "Они должны двигаться чтобы сбалансировать себя - и это то, что вызывает пьезоэлектрические кристаллы деформируются (слегка изменяют форму) при подаче напряжения через них.

Для чего используется пьезоэлектричество?

Фото: Типичный пьезоэлектрический преобразователь. Это звонок внутри моего стационарного телефона: он издает особенно пронзительный и ужасный щебечущий звук, когда звонит телефон!

Есть все виды ситуаций, когда нам нужно преобразовать механическую энергию (давление или какое-либо движение) в электрические сигналы или наоборот.Часто мы можем сделайте это с помощью пьезоэлектрического преобразователя. Преобразователь - это просто устройство, которое преобразует небольшое количество энергии из одного вида в другой (например, преобразование света, звука или механического давления в электрические сигналы).

В ультразвуковом оборудовании пьезоэлектрический преобразователь преобразует электрическую энергию в чрезвычайно быстрые механические колебания - фактически настолько быстрые, что он издает звуки, но слишком высокие, чтобы наши уши могли их услышать. Эти ультразвуковые колебания можно использовать для сканирование, чистка и многое другое.

В микрофоне нам нужно преобразовать звуковая энергия (волны давления, проходящие через воздух) в электрическую энергию - и это что-то пьезоэлектрическое кристаллы могут нам помочь. Просто приклейте вибрирующую часть микрофон к кристаллу и, как волны давления от вашего голоса прибыть, они заставят кристалл двигаться вперед и назад, генерируя соответствующие электрические сигналы. «Игла» в граммофоне (иногда называемый проигрывателем) работает противоположным образом. Как игла с ромбовидным наконечником движется по спиральной канавке на вашем LP, это неровности вверх и вниз.Эти колебания толкают и тянут легкий пьезоэлектрический кристалл, производящий электрические сигналы, которые ваша стереосистема затем преобразует обратно в слышимые звуки.

Фото: Стилус проигрывателя (сфотографировано снизу): Если вы все еще проигрываете пластинки, вы воспользуетесь таким стилусом, чтобы преобразовать механические удары на пластинке в звуки, которые вы слышите. Стилус (серебряная горизонтальная полоса) содержит крошечный кристалл алмаза (маленькая точка на конце справа), который подпрыгивает вверх и вниз в канавке для пластинки.Вибрации искажают пьезоэлектрический кристалл внутри желтого картриджа, который производит электрические сигналы, которые усиливаются, чтобы издавать звуки, которые вы слышите.

В кварцевых часах или часах обратный пьезоэлектрический эффект используется для очень точного отсчета времени. Электрическая энергия от батареи подается в кристалл, чтобы заставить его колебаться тысячи раз в секунду. Затем часы используют электронная схема, которая превращает это в более медленные удары с частотой один раз в секунду что крошечный мотор и некоторая точность шестеренки используются для вращения секундной, минутной и часовой стрелок на циферблате.

Пьезоэлектричество также используется, гораздо более грубо, в искровых зажигалках для газовых плит и барбекю. Нажмите выключатель прикуривателя, и вы услышите щелчок и вижу, как появляются искры. Что вы делаете, когда нажимаете переключатель, сжимает пьезоэлектрический кристалл, генерируя напряжение, и заставляя искру лететь через небольшой промежуток.

Если у вас на столе стоит струйный принтер, он использует точные "шприцы" для разбрызгивания капель чернила на бумаге. Некоторые струйные принтеры распыляют свои шприцы с помощью пьезоэлектрических кристаллов с электронным управлением, которые сжимают их «поршни» внутрь и наружу; Canon Bubble Jets поджигает чернила, вместо этого нагревая их.(Более подробную информацию об обоих методах вы найдете в нашей статье о струйных принтерах.)

Фото: НАСА экспериментировало с использованием пьезоэлектрических материалов для уменьшения вибрации и шума от быстро вращающихся роторов вертолетов. Фото любезно предоставлено НАСА.

Сбор энергии с помощью пьезоэлектричества?

Если вы можете получить крошечный кусочек электричества, нажав один раз на один пьезоэлектрический кристалл, сможете ли вы получить значительное количество, нажимая много кристаллов снова и снова? Что, если мы закопаем кристаллы под городскими улицами и тротуарами, чтобы улавливать энергию при проезде автомобилей и людей? Эта идея, известная как сбора энергии , вызвала интерес многих людей. Изобретатели предложили всевозможные идеи для хранения энергии с помощью скрытых пьезоэлектрических устройств, от обуви, которая преобразует ваши движения при ходьбе в тепло, чтобы согреть ноги, и мобильных телефонов, которые заряжаются от движений вашего тела, до дорог с питанием уличных фонарей, контактных линз, которые фиксируют энергия, когда вы моргаете, и даже гаджеты, которые получают энергию от напора падающего дождя.

Работа: Сбор энергии? Изобретатели зарегистрировали множество патентов на носимые устройства, которые будут генерировать небольшое количество электричества от движений вашего тела.Этот пример представляет собой обувь со встроенным пьезоэлектрическим преобразователем (1), который подпрыгивает вверх и вниз, когда вы идете, отправляя электричество в цепь (2), а затем накапливая его в батарее (3).

Сбор энергии - хорошая идея? На первый взгляд все, что сводит к минимуму потери энергии и повышает эффективность, звучит действительно разумно. Если бы вы могли использовать пол продуктового магазина, чтобы улавливать энергию ног спешащих покупателей, толкающих свои тяжелые тележки, и использовать ее для питания освещения магазина или его холодильных шкафов, безусловно, это должно быть хорошо? Иногда сбор энергии действительно может обеспечить приличное, хотя и довольно скромное количество энергии.

Проблема, однако, в том, что схемы сбора энергии могут сильно отвлекать от лучших идей. Рассмотрим, например, концепцию строительства улиц с пьезоэлектрическими «грохочущими полосами», которые поглощают энергию проезжающего транспорта. Автомобили - крайне неэффективные машины, и лишь небольшое количество (около 15 процентов) энергии, содержащейся в их топливе, позволяет вам двигаться по дороге. Только часть этой фракции доступна для извлечения с дороги - и вы не сможете извлечь всю эту часть со 100-процентной эффективностью.Таким образом, количество энергии, которое вы могли бы практически восстановить, и повышение эффективности, которое вы могли бы получить за потраченные деньги, были бы ничтожными. Если вы действительно хотите сэкономить электроэнергию на автомобилях, разумный способ сделать это - решить проблему неэффективности автомобильной транспортировки гораздо раньше; например, создавая более эффективные двигатели, побуждая людей делиться автомобилями, переходя с бензиновые двигатели электромобили и тому подобное.

Это не означает, что сбор энергии не имеет места; это может быть действительно полезно для зарядки мобильных устройств с использованием энергии, которая в противном случае была бы потрачена впустую.Представьте, например, мобильный телефон, который автоматически заряжается каждый раз, когда он трясется в вашем кармане. Даже в этом случае, когда дело доходит до экономии энергии, мы всегда должны рассматривать более широкую картину и убедиться, что время и деньги, которые мы вкладываем, дают наилучшие возможные результаты.

Кто открыл пьезоэлектричество?

Пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880 году двумя французскими физиками братьями Пьер и Поль-Жак Кюри в кристаллах кварца, турмалина и Рошельская соль (тартрат калия-натрия).Они взяли имя из греческое слово «пьезеин» означает «прижимать». Жак подвел итог наблюдению в статье 1889 года в журнале Annales de Chimie et de Physique . (мой собственный очень грубый перевод с французского):

«Если кто-то тянет или сжимает вдоль главной оси [кварцевого блока], на концах этой оси появляется равное количество электричества противоположных знаков, пропорциональное действующей силе и независимо от размеров кварца».

Работа: Иллюстрации к работе Кюри из Quartz Piezo-Electrique: Extrait de la These de J.КЮРИ: Анналы химии и тела, т. XVII, 1889, с. 392.

Как работают пьезоэлектрические кристаллы?

Пьезоэлектрический эффект

Некоторые кристаллы, например кварц, являются пьезоэлектрическими. Это означает, что при сжатии или ударе они генерируют электрический заряд. Это работает и по-другому: если пропустить электрический ток через пьезоэлектрический кристалл, кристалл немного изменит форму. Это свойство делает пьезоэлектрические кристаллы полезными во многих приложениях.

Кварцевые часы

Одно из наиболее важных применений пьезоэлектричества - это кварцевые часы и таймеры. Кристалл кварца будет вибрировать с определенной скоростью, в зависимости от своего размера. Когда кристалл колеблется вперед и назад, он генерирует электрические импульсы. В кварцевых часах используется небольшой кристалл, обрезанный до точного размера, чтобы следить за временем. Схема, называемая осциллятором, поддерживает вибрацию кристалла кварца, добавляя электричество к его импульсам. Часы подсчитывают количество импульсов, производимых кристаллом кварца, и используют его как основу для измерения секунд, минут и часов.

Acoustic Uses

Пьезоэлектрические устройства могут использоваться как для захвата звука, так и для его воспроизведения. Пьезоэлектрические звукосниматели обычно используются для народных гитар и других акустических инструментов. Пьезоэлектрический датчик представляет собой полоску из пьезоэлектрического материала, соединенную с двумя проводами. Звукосниматель прикреплен к инструменту. Когда на инструменте играют, звук заставляет его вибрировать. Эти колебания создают в пьезоэлектрическом датчике электрический ток, который можно записать или усилить как звук.

Пьезо-динамик работает наоборот.Электричество течет в лист пьезоэлектрического материала, заставляя его изгибаться вперед и назад. Это создает в воздухе волны давления, которые мы слышим как звук.

Пьезозажигалки

Одно из наиболее заметных применений пьезоэлектричества - пьезозажигалка. Практически любая зажигалка с кнопкой питается от пьезоэлектричества. Когда вы нажимаете кнопку, от поверхности пьезокристалла поднимается небольшой пружинный молоток. Когда молот достигает вершины, он выпускает и ударяет по кристаллу, когда включается газ.Удар создает большое напряжение на кристалле, которое течет на два провода. Это напряжение достаточно велико, чтобы между проводами возникла искра, которая воспламенила газ. Пьезо-воспламенители сейчас также используются в большинстве газовых печей.

Пьезоэлектрический эффект - Пьезоэлектрические двигатели и системы движения

Что такое пьезоэлектрический эффект?

Пьезоэлектрический эффект - это способность некоторых материалов генерировать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение.Слово «пьезоэлектрический» происходит от греческого слова piezein, что означает «сжимать или давить», и «пьезо», что по-гречески означает «толкать».

Одной из уникальных характеристик пьезоэлектрического эффекта является то, что он обратим, что означает, что материалы, демонстрирующие прямой пьезоэлектрический эффект (генерация электричества при приложении напряжения), также демонстрируют обратный пьезоэлектрический эффект (создание напряжения при воздействии электрического поля). применяемый).

Когда пьезоэлектрический материал подвергается механическому воздействию, происходит смещение центров положительного и отрицательного заряда в материале, что затем приводит к возникновению внешнего электрического поля.При изменении направления внешнее электрическое поле либо растягивает, либо сжимает пьезоэлектрический материал.

Пьезоэлектрический эффект очень полезен во многих приложениях, которые включают создание и обнаружение звука, генерацию высокого напряжения, генерацию электронной частоты, микровесы и сверхтонкую фокусировку оптических сборок. Это также основа ряда научных инструментальных методов с атомным разрешением, таких как сканирующие зондовые микроскопы (СТМ, АСМ и т. Д.).Пьезоэлектрический эффект также находит свое применение в более приземленных применениях, например, в качестве источника зажигания для зажигалок.

История пьезоэлектрического эффекта

Прямой пьезоэлектрический эффект был впервые обнаружен в 1880 году и был инициирован братьями Пьером и Жаком Кюри. Объединив свои знания о пироэлектричестве с пониманием кристаллических структур и поведения, братья Кюри продемонстрировали первый пьезоэлектрический эффект, используя кристаллы турмалина, кварца, топаза, тростникового сахара и соли Рошель.Их первоначальная демонстрация показала, что кварц и соль Рошеля проявляли наибольшую пьезоэлектрическую способность в то время.

В течение следующих нескольких десятилетий пьезоэлектричество оставалось в лаборатории, над чем следовало экспериментировать, поскольку были предприняты дополнительные работы по исследованию огромного потенциала пьезоэлектрического эффекта. Начало Первой мировой войны ознаменовало появление первого практического применения пьезоэлектрических устройств - гидролокатора. Это первоначальное использование пьезоэлектричества в гидролокаторах вызвало большой международный интерес к пьезоэлектрическим устройствам.В течение следующих нескольких десятилетий были исследованы и разработаны новые пьезоэлектрические материалы и новые применения для этих материалов.

Во время Второй мировой войны исследовательские группы в США, России и Японии открыли новый класс искусственных материалов, названных сегнетоэлектриками, пьезоэлектрические постоянные которых во много раз выше, чем у природных пьезоэлектрических материалов. Хотя кристаллы кварца были первым коммерчески используемым пьезоэлектрическим материалом и до сих пор используются в приложениях для обнаружения гидролокаторов, ученые продолжали искать материалы с более высокими характеристиками.Эти интенсивные исследования привели к разработке титаната бария и титаната цирконата свинца, двух материалов, которые обладали очень специфическими свойствами, подходящими для конкретных применений.

Пьезоэлектрические материалы

Существует множество материалов, как природных, так и искусственных, которые проявляют ряд пьезоэлектрических эффектов. Некоторые природные пьезоэлектрические материалы включают берлинит (структурно идентичный кварцу), тростниковый сахар, кварц, соль Рошеля, топаз, турмалин и кость (сухая кость проявляет некоторые пьезоэлектрические свойства из-за кристаллов апатита, и обычно считается, что пьезоэлектрический эффект действует как датчик биологической силы).Примером искусственных пьезоэлектрических материалов являются титанат бария и титанат цирконата свинца.

В последние годы из-за растущей обеспокоенности окружающей среды токсичностью свинцовых устройств и директивы RoHS, принятой в Европейском Союзе, были предприняты шаги по разработке пьезоэлектрических материалов, не содержащих свинец. На сегодняшний день эта инициатива по разработке новых пьезоэлектрических материалов, не содержащих свинец, привела к появлению множества новых пьезоэлектрических материалов, которые более безопасны для окружающей среды.

Приложения, наиболее подходящие для пьезоэлектрического эффекта

Из-за внутренних характеристик пьезоэлектрических материалов существует множество приложений
, которые выигрывают от их использования:

Источники высокого напряжения и энергии

Примером применения в этой области является электрическая прикуриватель, где нажатие кнопки заставляет подпружиненный молоток ударять по пьезоэлектрическому кристаллу, тем самым создавая достаточно высокое напряжение, чтобы электрический ток протекал через небольшой искровой промежуток, нагревая и зажигая газ.Большинство типов газовых горелок и плит имеют встроенные пьезоэлектрические системы впрыска.

Датчики

Принцип действия пьезоэлектрического датчика заключается в том, что физический размер, преобразованный в силу, действует на две противоположные стороны чувствительного элемента. Обнаружение изменений давления в форме звука - наиболее распространенное применение датчиков, которое можно увидеть в пьезоэлектрических микрофонах и пьезоэлектрических датчиках для гитар с электрическим усилителем. В частности, пьезоэлектрические датчики используются с высокочастотным звуком в ультразвуковых преобразователях для медицинской визуализации и промышленного неразрушающего контроля.

Пьезоэлектрические двигатели

Поскольку очень высокие напряжения соответствуют лишь крошечным изменениям ширины кристалла, этой шириной кристалла можно управлять с точностью выше микрометра, что делает пьезокристаллы важным инструментом для позиционирования объектов с чрезвычайной точностью, что делает их идеальными для использования в двигатели, такие как различные серии двигателей, предлагаемые Nanomotion.

Что касается пьезоэлектрических двигателей, пьезоэлектрический элемент получает электрический импульс, а затем прикладывает направленную силу к противоположной керамической пластине, заставляя ее двигаться в желаемом направлении.Движение возникает, когда пьезоэлектрический элемент движется против статической платформы (например, керамических полос).

Характеристики пьезоэлектрических материалов обеспечили совершенную технологию, на основе которой Nanomotion разработала различные линейки уникальных пьезоэлектрических двигателей. Используя запатентованную пьезоэлектрическую технологию, Nanomotion разработала различные серии двигателей, размер которых варьируется от одноэлементного (обеспечивающего усилие 0,4 кг) до восьмиэлементного двигателя (обеспечивающего усилие 3,2 кг). Двигатели Nanomotion могут приводить в движение как линейные, так и вращательные ступени, имеют широкий динамический диапазон скоростей от нескольких микрон в секунду до 250 мм / с и могут легко устанавливаться на традиционные ступени с низким коэффициентом трения или другие устройства.Рабочие характеристики двигателей Nanomotion обеспечивают внутреннее торможение и способность устранять дрожание сервопривода в статическом положении.

Знакомство с кристаллами преобразователя

Знакомство с кристаллами пьезоэлектрического преобразователя


Пьезоэлектрические материалы и их свойства

Некоторые монокристаллические материалы демонстрируют следующее явление: когда кристалл механически деформируется или когда кристалл деформируется под действием внешнего напряжения, на некоторых поверхностях кристалла появляются электрические заряды; и когда направление деформации меняется на противоположное, полярность электрического заряда меняется на противоположную. Это называется прямым пьезоэлектрическим эффектом, и кристаллы, в которых он проявляется, классифицируются как пьезоэлектрические кристаллы. (См. Рис. 1).

Рисунок 1. Прямой пьезоэлектрический эффект.

И наоборот, когда пьезоэлектрический кристалл помещается в электрическое поле или когда к его граням прикладываются внешние средства, кристалл проявляет деформацию, то есть размеры кристалла изменяются. Когда направление приложенного электрического поля меняется на противоположное, направление результирующей деформации меняется на противоположное.Это называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. (См. Рис. 2).

Рисунок 2. Обратный пьезоэлектрический эффект.

Пьезоэлектрическая керамика

Многие из сегодняшних приложений пьезоэлектричества используют поликристаллическую керамику вместо природных пьезоэлектрических кристаллов. Пьезоэлектрическая керамика более универсальна, поскольку ее физические, химические и пьезоэлектрические характеристики могут быть адаптированы для конкретных приложений. Пьезокерамические материалы могут быть изготовлены практически любой формы или размера, а механические и электрические оси материала могут быть ориентированы относительно формы материала.Эти оси устанавливаются во время полинга (процесса, который придает материалу пьезоэлектрические свойства). Ориентация поля постоянного тока определяет ориентацию механической и электрической осей.

Пьезоэлектрические постоянные

Пьезоэлектричество качественно продемонстрировано примерно в 1000 кристаллических материалах. К ним относятся материалы, в которых пьезоэлектричество возникает естественным образом, а также другие монокристаллические и поликристаллические материалы, в которых пьезоэлектричество может быть индуцировано приложением высокого напряжения или полингом.Типичные пьезоэлектрические материалы, доступные от Boston Piezo-Optics Inc., перечислены в таблице 1. Как при прямом, так и при обратном пьезоэлектрическом эффекте деформация и напряжение связаны с электрическими параметрами пьезоэлектрическими постоянными, d ij , g ij , h ij и e ij . Эти пьезоэлектрические постоянные имеют разные значения для разных направлений в материале. Кроме того, напряжения и деформации связаны друг с другом упругими постоянными материала в разных направлениях.

Материал Пьезоэлектрическая постоянная
(10 -12 C / N) или (10 -12 м / В)
Макс. Входное напряжение
(В / мм)
Акустическая мощность
(Вт / см 3 ) (приблизительно)
Q м
Кварцевый d 11 = 2,3 d 14 = 0,7 10500 1000 2 х 10 6
Ниобат лития d 33 = 6.0 д 15 = 69,2 1000 100 1 х 10 5
Navy Type I d 33 = 289 d 15 = 496 470 450 500
Navy Type II d 33 = 374 d 15 = 584 235 125 75
Navy Tyhpe VI d 33 = 593 d 15 = 741 235 260 65
Navy Type III d 33 = 225 d 15 = 330 470 340 11
Метаниобат свинца d 33 = 85 700 85 11

Таблица 1.Характеристики материала

Ориентация кристалла

Направление, в котором растяжение или сжатие развивает поляризацию, параллельную деформации, называется пьезоэлектрической осью.

В кварце эта ось называется «осью X», а в керамических материалах с поляризацией, таких как PZT, пьезоэлектрическая ось называется «осью Z». Из различных комбинаций направления приложенного поля и ориентации кристалла можно создавать в кристалле различные напряжения и деформации. Например, электрическое поле, приложенное перпендикулярно к пьезоэлектрической оси, будет вызывать удлинение вдоль оси, как показано на рисунке 2. Если, однако, электрическое поле приложено параллельно пьезоэлектрической оси, индуцируется сдвиговое движение. Этот тип движения показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Сдвиговое движение

Резонансные частоты

Если вместо поля постоянного тока, показанного на рисунках 2 и 3, применяется переменное поле, кристалл будет вибрировать с частотой переменного поля.Если частота переменного поля соответствует частоте, при которой толщина кристалла составляет половину длины волны, амплитуда колебаний кристалла будет намного больше. Это называется основной резонансной частотой кристалла. Кристалл также будет иметь частоты большой амплитуды, когда толщина кристалла равна нечетному кратному половине длины волны. Эти частоты называются гармоническими или обертонными резонансными частотами (например, 3-й обертон, 5-й обертон и т. Д.). Однако наибольшая амплитуда возникает на основной частоте, и по мере увеличения номера гармоники амплитуда колебаний уменьшается. Большой процент потерь энергии происходит на двух гранях кристалла. По этой причине Boston Piezo-Optics предлагает полированные по обертонам кристаллы для использования на более высоких частотах гармоник. Этот специально разработанный процесс ограничивает потери энергии и тем самым облегчает использование высших гармоник (9-й обертон, 11-й обертон и т. Д.) И увеличивает амплитуду всех резонансных частот.

Определение пьезоэлектрических постоянных

Поучительно внимательно изучить значения нескольких пьезоэлектрических постоянных. Наиболее часто измеряемая из этих констант - постоянная пьезоэлектрической деформации d ij . В продольном режиме кварца X-cut применимое значение d 11 . Для приложенного вольтагбе V в , d 11 будет определять результирующее изменение толщины Δt из или

Δt выход = d 11 V дюйм

(Уравнение 1. )

Уравнение 1 используется только для интерпретации обратного пьезоэлектрического эффекта. Для определения результирующего напряжения для прямого пьезоэлектрического эффекта используются две различные пьезоэлектрические постоянные. Пьезоэлектрическая постоянная h ij используется для связи результирующего напряжения с заданной деформацией. В этом случае изменение толщины Δt в создает выходное напряжение в соответствии с

.

В выход = h 11 Δt дюйм

(Уравнение 2.)

Вторая константа, постоянная пьезоэлектрического давления g ij, , используется для связи результирующего напряжения с заданным приложенным давлением P. Результирующее напряжение V out определяется как

В из - г 11 P

(Уравнение 3.)

Константа электромеханической муфты

Для многих приложений интересующей нас постоянной материала является коэффициент электромеханической связи, k ij .Эта константа является мерой отношения выходной энергии пьезоэлектрического материала к входной энергии или эффективности.

Относится к пьезоэлектрическим постоянным согласно уравнению 4

k ij ≈ h ij d ij

(Уравнение 4.)

Коэффициент связи определяется электрически с использованием данных резонансной частоты. В уравнении 5 резонансная частота f r и антирезонансная частота f a используются для определения широко используемого коэффициента связи мод k t по толщине.Расположение этих двух частот показано для гипотетического преобразователя на рисунке 4.

k t = Π / 2 (f r / f a ) Детская кроватка Π / 2 (f r / f a )

(Уравнение 5.)

Рисунок 4. Теоретическая частотная характеристика

Амплитуда смещения и выходная мощность

Во многих случаях желательно знать амплитуду смещения и выходную мощность преобразователя. Для этих величин можно получить теоретические выражения, но обычно они представляют собой сложные функции, включающие ряд параметров. Теоретически пьезоэлектрические пластины могут быть возбуждены до любой амплитуды вибрации на любой частоте, даже если это далеко от резонанса, если приложенное напряжение достаточно велико. Однако на практике максимальная выходная мощность, которая может быть достигнута без повреждения кристалла, зависит от нескольких переменных, включая тип монтажа, частоту, среду, инерцию, упругую податливость и внутренние демпфирующие потери самого вибрирующего кристалла.Эти внутренние потери зависят от частоты возбуждения. При приближении рабочей частоты к резонансу внутренние потери резко уменьшаются и соответственно увеличивается амплитуда деформации. В сильных полях кристалл может подвергнуться пробою диэлектрика и механическому разрушению. Резонансное напряжение, которое безопасно, когда преобразователь находится в жидкости или поддерживается твердой средой, может быть небезопасным, если преобразователь работает на воздухе. В таблице 1 указано максимальное входное напряжение для нескольких материалов.Также указана приблизительная максимальная акустическая мощность, которая зависит от входного напряжения, частоты, электромеханической связи и диэлектрических свойств материала.

Измерения затухания и скорости

Одним из примеров использования преобразователей в исследованиях является исследование затухания и скорости ультразвуковых волн в жидкостях и твердых телах в зависимости от сравнительных параметров. Преобразователь из кварца или ниобата лития приклеивается непосредственно к образцу или к буферному стержню с низкими потерями, сделанному из плавленого кварца, который, в свою очередь, цементируется с образцом.В этой конфигурации датчик используется как для отправки, так и для приема ультразвука. Сигнал известной частоты и амплитуды отправляется из преобразователя в образец. По изменению частоты и амплитуды сигнала, возвращаемого на преобразователь, определяется упругая прочность и внутреннее демпфирование образца. При исследовании жидкостей датчик или один конец буферного стержня погружается непосредственно в жидкость.

Использование обертонных резонансов

Конкретный размер и частота используемого преобразовательного элемента зависят от условий, в которых планируется работать.Например, преобразователь PZT-5A, работающий в режиме сжатия, диаметром 0,500 дюйма с основной частотой 5 МГц, имеет толщину примерно 0,0168 дюйма и может работать на своих нечетных гармониках для покрытия частотного диапазона от 5 до 105 МГц. Для более высоких частот до 1000 МГц кристалл преобразователя, сделанный из кварца X-среза с основной частотой 20 МГц (толщина 0,00564 дюйма), будет иметь меньшие внутренние потери и его легче управлять на его более высоких гармониках. Преобразователи также могут быть изготовлены в Диапазон кГц для низкочастотной работы.

В таблице 2 указан минимальный диаметр преобразователя, который должен использоваться на данной частоте с образцом данного диаметра. Также дана желаемая параллельность образца в дюймах на дюйм. Эта таблица предназначена только в качестве общего руководства для выбора подходящего преобразователя. Во многих экспериментах невозможно и нежелательно получить образец, удовлетворяющий требованиям минимального диаметра.

Частота
(МГц)
Константа параллельности
(дюйм / дюйм)
Диаметр образца
(мин.в дюймах)
Диаметр преобразователя
(мин. В дюймах)
1 0,0002 1,500 1.000
2-5 0,0002 1.000 0,750
5-10 0,0001 0,875 0,500 - 0,750
10-100 0.00005 0,750 0,500
100-200 0,00002 0,375 0,250
200-1000 0,00002 0,500 0,125

Таблица 2. Руководство по выбору размера

Для соединения кристалла преобразователя с образцом могут использоваться различные материалы, такие как электропроводящая и непроводящая эпоксидная смола, керамический цемент и цианоакрилатный клей.Для непостоянного сцепления можно использовать машинное масло, силиконовую жидкость или глицерин. Для преобразователей поперечных волн существуют коммерчески доступные связующие вещества для поперечных волн, и мед также поддерживает поперечные волны.

Рекомендуемый справочный материал

  • "Physical Acoustics", W. P. Mason (Ed.), Academic Press, New York (1964), vol. 1 Часть A.2.
  • "Piezoelectricity", W. G. Cady, Dover Publications, New York, (1964) и McGraw-Hill Book Co., (1946). 3.
  • «Прецизионный контроль частоты», Э. А. Гербер и А. Баллато (ред.), Academic Press, New York (1985), vol. 1.4.
  • «Материалы ультразвуковых преобразователей», О. Е. Маттиат, Plenum Press, Лондон, Нью-Йорк, (1971). 5.
  • «Стандарт пьезоэлектричества IEEE», стандарт 176-178 ANSI / IEEE; Также IEEE Trans. Соника и ультразвук, СУ-31, часть 2, март 1984 г. 6.
  • «Акустические волны: устройства, формирование изображений и обработка аналоговых сигналов», Дж. С. Кино, Прентис Холл, Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси, (1987).

Что такое пьезоэлектричество? | OnScale

Позвольте мне сначала дать вам очень простое определение, чтобы прояснить ситуацию.

Некоторые материалы имеют тенденцию накапливать электрические заряды при приложении к ним механического напряжения. Пьезоэлектрический эффект - это эффект, который просто описывает тот факт, что давление, приложенное к пьезоэлектрическому материалу, будет генерировать напряжение.

А теперь подробнее, как это работает? И откуда оно взялось?

Пьезоэлектричество и пьезоэлектрический эффект

Слово пьезоэлектричество происходит от греческого слова piezein , что означает сжатие или давление и электрон, что означает «янтарь» и является древним источником электрического заряда.

Французские физики Жак и Пьер Кюри в 1880 году обнаружили, что электрические заряды могут накапливаться в определенных твердых материалах в ответ на приложенное механическое напряжение.

Пьезоэлектрические материалы позволяют преобразовывать энергию из механической области в электрическую, и наоборот . Их можно использовать для создания различных датчиков или исполнительных механизмов: приложенный периодический электрический сигнал может приводить к генерации ультразвуковых волн для получения изображений.

Пьезоэлектрические материалы обычно сгруппированы в трех категорий :

  1. 1-Природные (монокристаллические) подложки,
  2. 2- Керамика со структурой перовскита
  3. 3- Полимерные пленки.

Например, некоторые материалы с более выраженным пьезоэлектрическим эффектом:

  • Кристаллы (кварц, нибонат калия…)
  • Определенная керамика (цирконат, титанат свинца или PZT, титанат бария,…)
  • Биологический материал (кость,…)
  • ДНК и различные белки

Пьезокерамические диски PZT

Что интересно, пьезоэлектрический эффект в основном линейный и обратимый.

Например, возьмем один из наиболее часто используемых пьезоэлектрических материалов, кристаллы цирконата-титаната свинца (или PZT) будут генерировать измеримое пьезоэлектричество, когда их статическая структура деформируется примерно на 0,1% от первоначального размера. И наоборот, те же самые кристаллы изменят примерно 0,1% своего статического размера, когда к материалу приложено внешнее электрическое поле.

Обратный пьезоэлектрический эффект очень полезен, поскольку он реализован во многих преобразователях для создания ультразвуковых звуковых волн.

А теперь давайте посмотрим, откуда это

В чем разница между непьезоэлектрическим материалом и пьезоэлектрическим материалом?

Во-первых, давайте посмотрим на непьезоэлектрический материал : общий центр заряда положительных и отрицательных ионов в элементарной ячейке совпадает, и даже при приложенной деформации они компенсируются, и общая поляризация не возникает.

Обратите внимание, что даже если мы рассмотрим удлинение в горизонтальном направлении из-за сжатия, заряды все равно компенсируются.

В кристаллических пьезоэлектрических материалах уникальное распределение зарядов приводит к возникновению дипольного момента, когда материал деформируется.

Рассмотрим пример 2D-решетки, как показано ниже. Элементарная ячейка показана пунктирными линиями. Без какого-либо внешнего напряжения центр тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадает и отмечен черной точкой.

Когда материал сжимается (правый рисунок), расстояние между атомами остается неизменным, что возможно только при расширении материала по горизонтали.Это, в свою очередь, сдвигает положительный и отрицательный заряды, обозначенные звездочкой (*), и их центроид больше не совпадает, а отображается синими и красными точками, создавая электрический диполь.

Давайте более наглядно посмотрим, как все это работает, в следующей части.

Как пьезоэлектричество проявляется под давлением в керамических или кристаллических материалах?

Материалы (как и все в мире) состоят из молекул, которые расположены определенным образом.

Когда материал находится в свободном состоянии (без какого-либо давления), эти молекулы будут расположены определенным образом, который соответствует равновесию вещества и при котором заряды молекул нейтрализуются, если мы посмотрим на целое.

Однако при приложении давления эти молекулы меняют положение и выстраиваются в диполярное состояние, в котором глобальный заряд больше не равен нулю, а две стороны материалов становятся поляризованными.

Но почему заряд меняется для пьезоэлектрических материалов, а не для любого другого материала?

Как мы упоминали в предыдущей части, это из-за особого расположения кристаллов пьезоэлектрического материала в гексагональной конфигурации.

Если вы посмотрите, например, на атомы, составляющие кристалл материала PZT, вы заметите, что они расположены следующим образом:

Что происходит при сжатии пьезоэлектрического кристалла?

Вот очень хорошая анимация, показывающая, как движется центр положительных зарядов при приложении давления к обеим сторонам пьезоэлектрического кристалла:

Чтобы понять, как это работает, мы должны посмотреть на центр положительного и отрицательного зарядов.

Когда вы сжимаете кристалл, два положительных заряда наверху перемещаются горизонтально, а не вертикально, что приводит к изменению положения центра положительного заряда вверх.

То же для отрицательных зарядов.

Среднее значение трех отрицательных зарядов движется вниз.

В несжатом кристалле положительные и отрицательные заряды просто компенсируют друг друга, и результирующий заряд равен нулю.

Когда вы сжимаете кристалл в определенной ориентации, вы слегка смещаете среднее положение положительных зарядов в одном направлении и среднее положение отрицательных зарядов в другом направлении.

Это создает накопление положительных зарядов на одной стороне и накопление отрицательных зарядов на другой стороне.

Если вы затем соедините эти грани, положительно заряженная грань начнет притягивать к себе отрицательно заряженные электроны через провод, а отрицательно заряженная грань будет отталкивать электроны.

Вот как создается напряжение от пьезоэффекта!

Примечание: Важно рассматривать пьезоэлектрическое явление как динамический процесс : даже если материал находится в сжатом состоянии, его нельзя использовать в качестве «батареи», удаленные заряды не будут восстанавливаться.Новые поверхностные заряды появляются либо при дальнейшем сжатии, либо при расширении материала.

Итак, здорово знать, как это работает… но есть ли способ немного «поэкспериментировать» со всем этим, чтобы получить практическое представление о том, как работает пьезоэлектрический эффект ??

Конечно! Моделирование может сделать что ?

Как смоделировать пьезоэлектрический эффект?

С помощью OnScale вы можете легко создать модель и смоделировать пьезоэлектрический эффект, а также обратный пьезоэлектрический эффект.

OnScale рассчитывает электрическое напряжение, механическую деформацию, напряжения и акустическое давление в единой уникальной модели и полностью совмещенным образом.

Учебное пособие: Моделирование диска 3D PZT в OnScale

Мы также сделали видео, чтобы показать вам шаг за шагом весь процесс моделирования.

История пьезоэлектричества | PIEZO.COM

Во время Второй мировой войны в США, Японии и Советском Союзе изолированные исследовательские группы, работавшие над улучшенными материалами конденсаторов, обнаружили, что некоторые керамические материалы (полученные спеканием порошков оксидов металлов) имеют диэлектрическую проницаемость до 100 раз выше, чем обычные ограненные кристаллы.Кроме того, тот же класс материалов (так называемых сегнетоэлектриков) был создан для демонстрации аналогичных улучшений пьезоэлектрических свойств. Открытие легко производимой пьезокерамики с удивительными характеристиками, естественно, вызвало возрождение интенсивных исследований и разработок в области пьезоэлектрических устройств.

Достижения в области материаловедения, достигнутые на этом этапе, можно разделить на три категории:

  1. Развитие семейства пьезокерамики титаната бария, а затем и семейства цирконата титаната свинца.
  2. Развитие понимания соответствия кристаллической структуры перовскита электромеханической активности.
  3. Разработка обоснования легирования обоих этих семейств металлическими примесями с целью достижения желаемых свойств, таких как диэлектрическая проницаемость, жесткость, коэффициенты пьезоэлектрической связи, простота полирования и т. Д.

Все эти достижения способствовали созданию совершенно нового метода разработки пьезоэлектрических устройств, а именно подгонки материала под конкретное применение .Исторически сложилось так, что всегда было наоборот.

Разработка материалов и устройств с «ступенчатой ​​блокировкой» велась по всему миру, но преобладали промышленные группы в США, которые быстро заняли лидирующие позиции благодаря сильным патентам. Количество приложений, над которыми работали, было ошеломляющим, включая следующие основные моменты и курьезы:

  • Мощный гидролокатор - основан на новой геометрии преобразователя (например, сферы и цилиндры) и размерах, достигнутых с помощью керамического литья.
  • Керамический фонокорректор - дешевый, высокосигнальный элемент упрощенной схемотехники.
  • Пьезоэлектрические системы зажигания - системы зажигания одноцилиндровых двигателей, которые генерируют искровое напряжение путем сжатия керамической «пилюли».
  • Sonobouy - чувствительный гидрофон для прослушивания / радиопередачи для наблюдения за движением океанских судов.
  • Маленькие чувствительные микрофоны - стали скорее правилом, чем исключением.
  • Керамический преобразователь звукового сигнала - небольшой, маломощный, низковольтный звуковой преобразователь звукового сигнала, состоящий из диска из керамики, ламинированного диском из листового металла.
  • Реле - сконструированы и исследованы реле мгновенного действия, изготовлено как минимум одно пьезореле.

Стоит отметить, что во время этого возрождения, особенно в США, разработка устройств велась наряду с разработкой пьезоматериалов в отдельных компаниях. В соответствии с политикой эти компании не общались. Для этого было три причины: во-первых, улучшенные материалы были разработаны в условиях военных исследований, поэтому опытные рабочие привыкли работать в «засекреченной» атмосфере; во-вторых, послевоенные предприниматели увидели обещание высоких прибылей, обеспеченных как сильными патентами, так и секретными процессами; и, в-третьих, тот факт, что пьезокерамические материалы по своей природе чрезвычайно трудно разрабатывать, но их легко воспроизвести, если процесс известен.

С точки зрения бизнеса, развитие рынка пьезоэлектрических устройств значительно отставало от технического развития. Несмотря на то, что все материалы, которые обычно используются сегодня, были разработаны к 1970 году, в то же время появилось лишь несколько крупных коммерческих приложений (например, картриджи для фонокорректоров и фильтрующие элементы). Оглядываясь назад на этот факт, становится очевидным, что, хотя разработка новых материалов и устройств процветала в атмосфере секретности, развитие новых рынков - нет - и рост этой отрасли был серьезно затруднен.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *