Пьезоэлектрический: Поющие конденсаторы (пьезоэлектрический эффект)

Содержание

Поющие конденсаторы (пьезоэлектрический эффект)

Добавлено 18 июля 2018 в 00:26

Сохранить или поделиться

В некоторых приложениях инженеры-конструкторы обнаруживают вибрацию или слабый слышимый шум, исходящий от определенных керамических конденсаторов. Это иногда описывают как «поющий» конденсатор и на самом деле является пьезоэлектрическим эффектом. В этом FAQ будут обсуждаться некоторые аспекты этого феномена «поющих конденсаторов».

1. Что такое поющий конденсатор?

Пение – это один из многих способов описания пьезоэлектрического эффекта у конденсатора. Это «пение» на самом деле является вибрацией конденсатора на печатной плате, которое во многих случаях происходит при определенных условиях.

2. Все многослойные керамические конденсаторы (MLCC) обладают пьезоэлектрическим эффектом?

Пьезоэлектрический эффект возникает в сегнетоэлектрических конденсаторах (т.е. в конденсаторах классов II и III). Конденсаторы класса I не используют сегнетоэлектриков и, следовательно, не обладают пьезоэлектрическим эффектом. Важно также понимать, что не все сегнетоэлектрические конденсаторы будут испытывать пьезоэлектрический эффект. Должна сложиться определенная комбинация конструкции компонента и условий использования схемы, чтобы заставить конденсатор вибрировать или звенеть.

3. Какие факторы могут заставить MLCC конденсатор «запеть»?

Существует несколько факторов, которые способствуют пьезоэлектрическому эффекту. Есть факторы, основанные на конструкции MLCC конденсатора, и внешние факторы, зависящие от схемы, в которой установлен многослойный керамический конденсатор.

Факторы конструкции включает в себя диэлектрическую проницаемость материала, количество активных слоев, толщину слоя и размер корпуса. Электрические факторы включают в себя смещение постоянным напряжением.

Одними из наиболее значимых внешних факторов являются напряжение схемы и пульсации тока входного сигнала. Порог пульсаций зависит от других внешних условий, применяемых к MLCC конденсатору. Например, высокая температура ограничивает возможности MLCC конденсатора относительно пульсаций тока и, следовательно, может играть роль в том, что конденсатор начинает петь.

4. Какие обобщения можно сделать относительно факторов, влияющих на пьезоэлектрический эффект?

Каждый из обсуждаемых здесь факторов играет определенную роль в содействии пьезоэлектрическому эффекту. Все эти факторы, влияющие на пьезоэлектричество, влияют по-разному. Эти факторы могут работать вместе, чтобы увеличить или уменьшить пьезоэлектрический эффект. Из-за этой сложности нет простого способа предложить какие-либо правила проектирования.

В качестве примера мы можем рассмотреть количество слоев. При всех одинаковых конструктивных факторах конденсатор с большим количеством слоев (не пропорционально) даст бо́льшую пьезоэлектрическую амплитуду. Это просто потому, что полная амплитуда представляет собой эффект сложения амплитуды каждого слоя.

Влияющие факторы также могут компенсировать или уменьшить пьезоэлектрический эффект. Например, более высокая диэлектрическая проницаемость может компенсировать влияние смещения по постоянному напряжению. Это приведет к снижению пьезоэлектрической амплитуды.

Подробности и физика каждой комбинации влияющих факторов выходят за рамки данной статьи. Важно помнить, что пьезоэлектрический эффект не проявится без правильной комбинации внешних факторов.

Большинство проблем можно избежать, если инженер-разработчик может оптимизировать качество входного сигнала, а также окружающую среду, в которой находится схема. Если пьезоэлектрическая проблема всё еще остается, тогда инженер-разработчик должен пересмотреть выбор компонентов и конструкцию.

5. Можно ли измерить этот пьезоэлектрический эффект?

При оценке выбора компонентов и конструкции может оказаться полезным сравнить некоторую форму пьезоэлектрической интенсивности у различных компонентов. Поэтому для какого-либо относительного сравнения необходим метод измерения.

Пьезоэлектрический эффект на самом деле являет вибрацией конденсатора. Эта вибрация вызывает смещение конденсатора, как показано на рисунке 1. У этого смещения можно измерить амплитуду.

Рисунок 1 – Пример MLCC конденсатора в нормальном и вибрирующем состояниях

Поскольку вибрация и смещение происходят в относительно небольшом масштабе, для фактического измерения смещения следует использовать бесконтактный метод. Проводить точные бесконтактные измерения смещения позволяет такое устройство, как лазерный виброметр (рисунок 2).

Рисунок 2 – Пример лазерного виброметра

6. Существуют ли стандарт или спецификация для пьезоэлектрического уровня

В настоящее время не существует промышленного стандартизированного метода официального указания пьезоэлектрического уровня. Пьезоэлектрический эффект возникает в результате сочетания многих переменных. Корреляция по уровню одной переменной относительно других также добавляет дополнительный уровень сложности. Пьезоэлектричество можно измерить, но это полезно только в качестве относительного сравнения с другими измерениями.

7. Если можно измерить пьезоэлектрическую амплитуду, можно ли это использовать для обобщения производительности MLCC конденсаторов?

В таблице 1 показан пример бесконтактных измерений нескольких многослойных керамических конденсаторов. Эти амплитуды основаны на конкретных входных тестовых сигналах. Инженер не может делать общие предположения, основываясь только на этих измерениях.

Как обсуждалось ранее (в вопросе 4), чем выше количество слоев, тем больше пьезоэлектрическая амплитуда. Это связано с тем, что общая амплитуда является суммой амплитуд каждого слоя. Это не всегда означает, что разные конструкции с одинаковым количеством слоев будут обязательно работать одинаково.

Если посмотреть на простой пример в таблице 1, вы найдете два MLCC конденсатора (под номерами 4 и 5) с одинаковым количеством слоев. Хотя MLCC конденсатор №4 имеет то же количество слоев, что и MLCC конденсатор №5, амплитуда у MLCC конденсатора №5 выше. В данном примере это связано с тем, что MLCC конденсатор №5 имеет меньшую толщину слоя.

Таблица 1. Пример измерений
КомпонентОтносительная диэлектрическая проницаемостьКоличество слоевКоэффициент толщины слояКоэффициент смещения по постоянному напряжениюАмплитуда
@ 1Вскз
1C3224Y5V1E106Z100100100–9015 нм
2C3225X7R1E475K2016590–3025 нм
3C3225X7R1h255K20105160–1311 нм
4C4532X7R1E475K20125100–2512 нм
5C5750X7R1E106K2012590–3014 нм

Рассмотрим другой пример, первые три MLCC конденсатора в таблице 1 показывают, что MLCC конденсатор №2 дает наибольшие измерения пьезоэлектрической амплитуды. Если инженер-разработчик использовал несколько конденсаторов, то пульсация тока распределялась между ними. Чтобы упростить математику, предположим, что 10 конденсаторов используются в параллельном соединении.

Используя MLCC конденсатор №1, десять MLCC конденсаторов по 10 мкФ в параллельном соединении дают номинальную эффективную емкость 100 мкФ. Коэффициент смещения по постоянному напряжению –90 означает, что после прикладывания постоянного напряжения будет доступно 10% емкости. 10% от 100 мкФ составляет 10 мкФ. Распределение импеданса между десятью MLCC конденсаторами (10 конденсаторов / эффективная емкость) дает масштабирующий коэффициент амплитуды 1, и поэтому результирующая амплитуда составит 15 нм.

Из этого следует, что MLCC конденсатор №2 даст эффективную емкость 33 мкФ. Масштабирующий коэффициент амплитуды составляет 10/33. Умножение этого масштабирующего коэффициента на измеренную амплитуду (в таблице 1) даст итоговую амплитуду 8 нм.

MLCC конденсатор №3 даст эффективную емкость 13 мкФ. Масштабирующий коэффициент амплитуды составляет примерно 10/13, и поэтому амплитуда будет равна 25/3, приблизительно 8,5 нм.

Основываясь на этих расчетах, MLCC конденсатор №2 дал наибольшие показания в таблице 1, но при этом является наилучшим выбором в нашем проекте.

Этот пример показывает, что, хотя пьезоэлектрическую амплитуду можно измерить, это значение само по себе не может определить влияние на схему. Очевидно, что проектирование схемы также играет важную роль.

8. Если пьезоэлектрический эффект является вибрацией, что вызывает «пение»?

Пьезоэлектрический эффект – это вибрация. Эффект пения возникает при определенных условиях вибрации. Если частота вибрации попадает в слышимый диапазон (примерно 20 Гц – 20 кГц), тогда вы можете услышать слышимый шум. Когда MLCC конденсатор припаивается к печатной плате или подложке, интенсивность слышимого шума может также усилиться. То, что вы могли бы в итоге получить, – это грубый динамик или даже микрофон на вашей плате.

9. Что может сделать инженер-разработчик, чтобы уменьшить «пение»?

Инженер должен определить, вызывает ли вибрацию или жужжание другие проблемы системы в целом. Например, если схема демонстрирует слышимый шум низкой частоты, который позже будет заглушен шумом двигателя, инженер должен решить, необходимо ли избавление от шума конденсаторов.

Если инженер решает улучшить схему, первым шагом будет рассмотрение уменьшения пульсации, поступающей в цепь. Это принесет пользу не только MLCC конденсаторам, но и всей схеме.

Если пульсации не могут быть уменьшены, инженер должен рассмотреть возможность добавления конденсаторов в параллельное соединение, чтобы распределить ток пульсаций или другие напряжения. Следует отметить, что это не обязательно увеличивает величину емкости, поэтому целью не является просто увеличение максимального значения емкости.

Если схема не требует высокой емкости, тогда следует рассмотреть класс I (C0G) многослойных керамических конденсаторов. Поскольку диэлектрики класса I не являются сегнетоэлектриками, они не проявят пьезоэлектрический эффект.

10. Существует ли связь между пением и долговременной надежностью конденсатора?

В настоящее время нет окончательных тестовых данных, которые предполагали бы какой-либо риск для надежности. MLCC конденсатор, который не проявляет пьезо-вибрации, приведет к равной или лучшей надежности по сравнению с MLCC конденсатором, который проявляет пьезо-вибрацию.

Многослойные керамические конденсаторы уже обладают превосходной надежностью по сравнению с конкурирующими технологиями. Квалификационные тесты MLCC конденсаторов, такие как те, которые предлагаются в спецификации Automotive “AEC-Q200”, включают в себя тесты, основанные на военном стандарте Mil-Std-202. Эти тесты содержат различные экологические, механические и электрические стресс-тесты. Среди них есть два теста, в частности, тест на механический удар (Mil-Std-202 метод 213) и вибрацию (Mil-Std-202 метод 204). Эти тесты применяют внешнее напряжение, чтобы гарантировать, что MLCC конденсатор будет выдерживать внешние ударные и вибрационные напряжения.

Оригинал статьи:

Теги

MLCC (многослойный керамический конденсатор)Керамический конденсаторКлассы керамических конденсаторовКонденсаторОтносительная диэлектрическая проницаемость
Поющий конденсаторПьезоэлектрический эффектШум

Сохранить или поделиться

Преобразователь пьезоэлектрический: назначение и применение

Эти преобразователи относятся к подгруппе генераторных, в их основе посредством механики накапливаются электрические заряды. В результате выделяют следующую взаимосвязь: Q = d· P. В этом случае d является пьезомодулем, а P – усилием. Как правило, материалом выступает кварц, турмалин, смеси отжига, барий, свинец. Чтобы спроектировать пьезоэлектрический преобразователь, необходимо использовать схемы нагрузки: сжатие, изгиб, сдвиг, растяжение.

Прямой и обратный пьезоэффект

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

  • симметрия по отношению к оси;
  • с учетом предыдущего вида проявляется решетка с ионами, которые чередуются и компенсируются.

Если используемый материал в процессе направлен на силу Fx, то он деформируется, расстояние между положительными и отрицательными зарядами меняется, и происходит электризация направления в заданной оси. Все это выражается в формуле q = d11Fx и является пропорциональным для силы. Коэффициент связан с веществом и его состоянием, имеет название – пьезоэлектрический модуль. Индексы определены силой и гранью, но если изменить направление, то эффект станет иным.

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

Дополнительные пьезоэффекты

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

  • высокая прочность;
  • напряжение допускается до 108 Н/м2, благодаря этому возможны большие измеряемые силы;
  • жесткость и упругость;
  • минимальное трение внутри;
  • стабильность, которая не меняется;
  • максимальная добротность изготовленного материала.

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

Описание устройства и цепей измерения

Пьезоэлектрический преобразователь давления имеет следующую структуру:

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

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

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

Описание цепей измерения

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

Однако в этом устаревшем пьезоэлектрическом преобразователе были недостатки:

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

Напряжение усилителя и чувствительность определяются допустимой погрешностью, если дополнить включенный стабильный объем С1. Формула: ys = (ΔCo+ ΔCk)/(Co+Ck+C1). После преобразования получаем: S=Ubx/F. Если коэффициент увеличивается, соответственно, и эти переменные возрастают. Для измерительной цепи характерно:

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

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

Преимущественные характеристики устройств

Пьезоэлектрический преобразователь имеет следующие достоинства:

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

В случае с материалом вроде кварца, который близок к идеальному состоянию тела, преобразование механики в заряд электрики возможно с минимальной погрешностью от -4 до -6. Однако развитие высокоточной техники улучшило способность реализовать точность без потерь. В результате можно прийти к выводу, что для измерителей сил, давления и прочих элементов наиболее подходящими являются эти пьезоэлектрические преобразователи.

ПЭП ускорения имеет следующую конструкцию:

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

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

Конструкционные особенности преобразователей

Если необходимо изготовить датчик акселерометра, то важно правильно прикрепить пьезочувствительные пластины к основанию. Это действие осуществляется паянием. Кабель должен соответствовать следующим требованиям:

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

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

Особенности приборов, измеряющих вибрации

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

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

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

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

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

Альтернативный источник энергии посредством преобразователей

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

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

Этот аппарат имеет положительную характеристику. До сегодняшнего дня совершенствование конструкции не прогнозируется, потому что эффективность и принцип работы доказаны всеми существующими путями. В процессе технического прогресса, возможно, будут построены плавучие станции.

Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь

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

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

Области применения пьезоэлектрического преобразователя

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

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

Недостатки преобразователей

В данных устройствах присутствует огромное количество положительных сторон. Однако они имеют и отрицательные черты:

  • сопротивление на выходе – максимальное;
  • измерительные схемы и кабели должны быть созданы на основе жестких требований и рекомендаций.

Расчет пьезоэлектрического преобразователя изначально выводит формулу уравнения для резонансной частоты: Fp= 0.24 ·c·. Толщина пластины: h = Fp · a2 / 0.24 · c = 35 · 103 · 25 · 10-6/ 0.24 · 2900 = 1.257 · 10-3m. Энергетические характеристики высчитываются так: Wак = Wак.уд · S = 40 · 4.53 · 10-3.

описание, ускорение, принцип работы и особенности

Для получения данных о температуре либо давлении атмосферной среды применяются специальные датчики пьезоэлектрического типа. К основным параметрам устройств относится не только рабочая частота, но проводимость, а также сопротивление. Стандартная модификация состоит из мембраны, которую окружают кварцевые пластины. Корпус в основном делается из металлических дисков. Для подключения к измерительной аппаратуре применяются выводы, которые подсоединены к подпятнику.

Принцип работы элемента

Существуют различные пьезоэлектрические датчики. Принцип работы элементов построен на изменении разрядности мембраны. Кварцевые пластины в данном случае играют роль проводников. Для преобразования частоты у моделей используется экранированная пластина. Передача сигнала на мембрану осуществляется через подпятник. Разница разрядов фиксируется в измерительных приборах. Через выводы на датчиках данные могут быть обработаны и сохранены.

Типы датчиков

По назначению выделяют датчики силы, давления, вибрации и ускорения. Также существуют модификации для замера температуры. Еще разделение модификаций происходит по частотности. Модели до 3 Гц отличаются компактными размерами. Модификации с высокой проводимостью способны работать в условиях повышенной влажности.

Датчики силы

Пьезоэлектрические датчики силы в последнее время принимают активное участие в лабораторных исследованиях. Они отличаются повышенной точностью и неплохой проводимостью. Однако важно отметить, что рабочая частота в данном случае находится на уровне 4 Гц.

Многие модификации производятся с обычными контактными мембранами. Также стоит отметить, что в магазинах представлены проводные устройства с кварцевыми пластинами. Показатель проводимости у таких датчиков составляет примерно 5 мк. Многие модификации разрешается применять в условиях повышенной влажности. Емкость проводников в данном случае равняется 55 пФ. Модели у датчиков данного типа отсутствуют.

Датчики давления

Пьезоэлектрические датчики давления производятся с мембранами разных типов. Если верить отзывам экспертов, то наиболее востребованными устройствами считают контактные элементы, показатель проводимости у них равняется 8 мк. При этом рабочая частота максимум достигает 5 Гц. Контактные мембраны у датчиков встречаются довольно редко. Кварцевые пластины устанавливаются через выводы. Емкость проводников в среднем равняется 120 пФ.

Отдельного внимания у модификаций заслуживают компактные втулки. Как правило, они применяются экранированного типа. Для измерительной аппаратуры датчики данного типа подходят замечательно. Довольно часто их подключают к осциллографам. Подпятники у модификаций применяются переходного типа. Некоторые модели способны похвастаться высокой точностью замеров.

Особенности датчиков температуры

Пьезоэлектрические датчики температуры работают на низкоомных модулях. Если верить отзывам экспертов, то мембраны в основном применяются контактного типа, и переходники под них используются низкой проводимости. Кварцевые пластины способны работать в условиях повышенной влажности. Если говорить про недостатки, то важно отметить, что модели производятся в основном без подпятников. Вместо них на мембраны устанавливаются специальные изоляционные пленки. Показатель диэлектрической проницаемости лежит в районе 50 %.

Датчики ускорения

Пьезоэлектрический датчик ускорения довольно часто используется в промышленности. Выводы у моделей подключаются через мембраны. Некоторые устройства производятся специально под приводные агрегаты. Мембраны в данном случае устанавливаются контактного типа. Также стоит отметить, что в магазинах представлены элементы, которые работают на полированных пластинах.

Подпятники в основном используются компактных размеров. Изоляция у моделей применяется высокого качества. Металлические подкладки встречаются довольно редко. Также надо отметить, что существуют устройства, которые способны работать при частоте 3 Гц. Показатель проводимости у них, как правило, не превышает 44 мк. Емкость проводников у моделей данного типа находится в районе 40 пФ.

Элементы серии VM-6360

Датчики представленной серии способны очень быстро определять температуру окружающей среды. Если верить мнению экспертов, то проводимость у них довольно высокая. Среди недостатков стоит отметить малое сопротивление на выводах. Также специалисты часто указывают на модуль, который работает при частотности в 3 Гц. Таким образом, точность измерения у модификации не очень высокая. Мембрана в данном случае применяется только одна. Выводы к ней подсоединяются через подпятник. Если верить мнению экспертов, то проблемы с модуляцией данному датчику не страшны. Кварцевые пластины установлены надежно.

Особенности датчиков Arduino

Arduino - пьезоэлектрический датчик вибрации, который способен эксплуатироваться в разных климатических условиях. Мембрана у элемента применяется только одна. При этом пластины установлены с двумя подкладками. Если верить экспертам, то проводимость у них довольно высокая. Диэлектрическая проницаемость пластин равняется 55 мк.

Многие специалисты говорят о том, что датчик обладает высокой точностью замеров. Если говорить про минусы, то эксперты указывают на низкий параметр сопротивления в мембране. За счет этого есть проблемы с передачей сигнала. Утечка зарядов данному датчику не страшна. Рабочая частота поддерживается на уровне 5 Гц.

Описание элементов серии Master 300 CT

Указанный пьезоэлектрический датчик необходим для точного определения давления. Модуль в системе применяется волнового типа. Многие эксперты говорят о том, что модель можно использовать в среде с влажностью не более 55 %. Диск у модификации применяется сферического типа.

Также стоит отметить, что рабочая температура элемента максимум равняется 45 градусам. Подпятник отличается высокой проводимостью. При этом у него есть определенные проблемы с проницаемостью. Подключение к измерительным приборам происходит через два вывода.

Элементы серии Master 330 CT

Это качественные и высокоточные пьезоэлектрические датчики. Принцип действия элемента построен на изменении разрядности. Специалисты полагают, что у модификации установлен качественный проводной вывод. Мембрана в данном случае используется с кварцевыми пластинами.

Параметр диэлектрической проницаемости располагается на отметке в 3 %. Минимальная частота поддерживается на уровне 3 Гц. Система защиты у данного датчика отсутствует, однако изоляция предусмотрена. Также стоит отметить, что у модификации имеется только одна подкладка, которая изготовлена из меди.

Особенности датчиков Master 350 CT

Указанный пьезоэлектрический датчик произведен для определения температуры в агрессивных средах. Многие эксперты указывают на высокий параметр выходного сопротивления. При этом модуль применяется контактного типа, и изоляция у него используется третьего класса. Всего в устройстве имеется две кварцевые пластины. Показатель проводимости у них составляет 4 мк. Рабочая частота, как правило, равняется 3 Гц. Сферическая пята у этой модификации отсутствует. Емкость полупроводников равняется 40 пФ.

Описание элементов серии Master 380 CT

Данный пьезоэлектрический датчик выделяется быстрой передачей положительного потенциала. Также стоит отметить, что у модели используется только один модуль контактного типа. Многие эксперты говорят о том, что модель разрешается использовать в среде повышенной влажности. Однако недостатки у датчика также есть. В первую очередь стоит упомянуть о низкой диэлектрической проницаемости. Проблемы с сопротивлением возникают довольно редко.

Подпятник не способен работать при частоте в 3 Гц. Система защиты у модификации производителем не предусмотрена, и изоляция установлена второго класса. Подключение к измерительной аппаратуре осуществляется через два вывода. Пята сферического типа способна работать при частоте 5 Гц. Передача отрицательного потенциала много времени не отнимает.

Элементы серии MLh300

Данный пьезоэлектрический датчик способен быстро замерить давление окружающей среды. Если говорить про особенности модификации, то важно отметить неплохой параметр выходного сопротивления. Диэлектрическая проницаемость элемента равняется только 40 %. Пята сферического типа установлена вместе с контактной мембраной.

Также стоит отметить, что модель способна быстро передавать положительный потенциал. Система защиты у модификации не предусмотрена, а изоляция установлена третьего класса. Подключение к измерительной аппаратуре может осуществляться через два вывода. Втулка у модификации подсоединена к кварцевым пластинам. Также стоит отметить, что емкость полупроводников равняется 30 пФ.

Особенности датчиков MLh320

Указанный пьезоэлектрический датчик вибрации производится с двумя контактными мембранами. При этом кварцевые пластины применяются повышенной проницаемости. Рабочая частота модификации находится на уровне 4 Гц. Если верить мнению экспертов, то корпус способен выдерживать большие нагрузки. Также стоит отметить, что сопротивление на выходных контактах равняется приблизительно 30 Ом. Система защиты у элемента, к сожалению, не предусмотрена.

Однако изоляция производителем установлена первого класса. Экранированная втулка в данном случае зафиксирована на мембране. Многие эксперты говорят о том, что модель способна похвастаться быстрой передачей положительного потенциала. Также стоит отметить, что у модели есть специальный модуль, который отвечает за проводимость сигнала. Емкость проводника равняется 50 мк. При этом диэлектрическая проницаемость элемента составляет не менее 60 %. Утечка зарядов представленному датчику не страшна.

Описание элементов серии MLh355

Данный датчик (пьезоэлектрический, искробезопасный) производится с одной переходной мембраной, у которой очень высокий параметр отрицательного сопротивления. С повышенной влажностью проблемы возникают нечасто, и изоляция используется третьего класса. Всего у датчика имеется три кварцевые пластины.

Также стоит отметить, что модель отличается неплохой проводимостью на выходе. Металлические подкладки под мембраной производителем не предусмотрены. Отдельного внимания заслуживает качественный проводник, емкость которого равняется 4 пФ. Система защиты у элемента не предусмотрена. При этом скорость передачи отрицательно потенциала оставляет желать лучшего.

Элементы серии MLh365

Датчик представленной серии производится с двумя мембранами, которые обладают проводимостью на уровне 4 мк. Кварцевые проводники способны работать при влажности 55 %. При этом рабочая температура максимум равняется 40 градусов. Система защиты у этого датчика отсутствует, а изоляция применяется второго класса. Минимальная частота у элемента поддерживается на уровне 5 Гц.

12.7. Пьезоэлектрический эффект

В кристаллических диэлектриках поляризация может возник­нуть и при отсутствии электрического поля из-за деформации.Это явление получило название пьезоэлектрического эффекта (пъезоэффекта).

Различают поперечный (рис. 12.24) и продольный (рис. 12.25) пьезоэффекты. Стрелки показывают силы, действующие на крис­талл. При изменении характера деформации, например, при пе­реходе от сжатия к растяжению, изменится и знак возникающих поляризационных зарядов.

Пьезоэлектрический эффект обусловлен деформацией элемен­тарных кристаллических ячеек и сдвигом подрешеток относительно друг друга при механических деформациях. Поляризован-ность при небольших механических деформациях пропорциональна их величине. Пьезоэффект возникает в кварце, сегнетовой соли и некоторых других кристаллах.

Для демонстрации пьезоэффекта можно использовать установ­ку, схема которой изображена на рис. 12.26. К кристаллу К, обладающему пьезоэлектрическими свойствами, приложены металли­ческие пластины М, которые замкнуты через неоновую лампу Н. Эта лампа потребляет небольшой силы ток и загорается при опре­деленном напряжении, т. е. является своеобразным индикатором напряжения.

При ударе по кристаллу (деформации) появляется напряжение на его гранях, а значит, и на металлических пластинах, и неоновая лампа вспыхивает.

Наряду с рассмотренным прямым пьезоэлектрическим эффектом наблюдается и обратный пьезоэффект: при наложении элект­рического поля на кристаллы последние деформируются.

Оба пьезоэффекта — прямой и обратный — применяют в тех случаях, когда необходимо преобразовать механическую величи­ну в электрическую или наоборот.

Так, прямой пьезоэффект используют в медицине — в датчиках для регистрации пульса, в технике — в адаптерах, микрофонах и для измерения вибраций, а обратный пьезоэффект — для создания механических колебаний и волн ультразвуковой частоты.

Существенный пъезоэффект возникает в костной ткани при наличии сдвиговых деформаций.

Причина эффекта — деформация коллагена — основного белка соединительной ткани. Поэтому пьезоэлектрическими свойства­ми обладают также сухожилия и кожа. При нормальной функци­ональной нагрузке, а также при отсутствии дефектов в строении кости в ней существуют только деформации сжатия — растяжения и пьезоэффект отсутствует. Когда что-то ненормально и возникает сдвиговая деформация, то возникает пьезоэффект. Он оказывает влияние на постоянно идущие в кости процессы разрушения и созидания и содействует тому, чтобы исчез сдвиг (меняется архитектура и даже форма кости). Указывают два возможных меха­низма воздействия пьезоэффекта: а) электрическое поле изменяет активность клеток, продуцирующих коллаген, и б) электрическое поле участвует в укладке макромолекул. Исследованием этого вопроса занимался В. Ф. Чепель.

12.8. Энергия электрического поля

Система зарядов или заряженных тел, заряженный конденса­тор обладают энергией.

В этом можно убедиться, разряжая, например, конденсатор че­рез лампочку, присоединенную к нему: лампочка вспыхнет.

Вычислим энергию поля конденсатора. Чтобы зарядить его, будем многократно переносить положительный заряд dq с одной обкладки на другую. По мере его переноса увеличивается напряжение между обкладками конденсатора. Работа, которую необходимо совершить против сил электрического поля для зарядки конденсатора, равна энергии конденсатора:

Элементарная работа по перемещению заряда против сил поля равна dA = Udq. Перенос заряда dq с одной обкладки конденсатора на другую изменяет напряжение его на dU, и тогда из формулы для электроемкости запишем dq = CdU, a значит, dA = CUdU.

Проинтегрировав это равенство в пределах от U0 = 0 до некоторого конечного значения U, найдем выражение для энергии поля заряженного конденсатора:

Если, не изменяя заряда на обкладках конденсатора, отключенного от источника напряжения, раздвинуть его пластины от расстояния l1 до l2,то электроемкость уменьшится (см. 12.34). Как видно из (12.44), при этом энергия конденсатора с увеличением объема, занимаемого электрическим полем (рис. 12.27), возрастет, а напряженность поля останется постоянной. Отсюда ясно, что энергия заряженного конденсатора сосредоточена в объеме, занимаемом электрическим полем.

Более убедительно пояснить существование энергии электрического поля можно на примере переменного электромагнитного поля (передача сигнала на расстояние, давление света и т. п.).

Выразим энергию поля через его характеристики. С этой целью преобразуем (12.43), подставив выражение для емкости плоского конденсатора (12.34) и напряжение из (12.14):

(12.45)

где V = SI — объем, занимаемый электрическим полем конденсатора.

Предполагая, что электрическое поле плоского конденсатора однородно, разделим (12.45) на объем и получим объемную плотность энергии поля:

(12.46)

Единицей объемной плотности является джоуль на кубический метр (Дж/м3).

В заключение заметим, что формула (12.46) справедлива и для неоднородного электрического поля, но тогда она выражает объемную плотность энергии в точке. Энергия неоднородного поля может быть найдена интегрированием (12.46) по соответствующему объему

В общем случае диэлектрическая проницаемость различна в разных точках среды, т. е. зависит от координат, поэтому в этой формулевходит под знак интеграла.

пьезоэлектрический — Викисловарь

Морфологические и синтаксические свойства[править]

падеж ед. ч. мн. ч.
муж. р. ср. р. жен. р.
Им.пьезоэлектри́ческийпьезоэлектри́ческоепьезоэлектри́ческаяпьезоэлектри́ческие
Рд.пьезоэлектри́ческогопьезоэлектри́ческогопьезоэлектри́ческойпьезоэлектри́ческих
Дт.пьезоэлектри́ческомупьезоэлектри́ческомупьезоэлектри́ческойпьезоэлектри́ческим
Вн.    одуш.пьезоэлектри́ческогопьезоэлектри́ческоепьезоэлектри́ческуюпьезоэлектри́ческих
неод. пьезоэлектри́ческий пьезоэлектри́ческие
Тв.пьезоэлектри́ческимпьезоэлектри́ческимпьезоэлектри́ческой пьезоэлектри́ческоюпьезоэлектри́ческими
Пр.пьезоэлектри́ческомпьезоэлектри́ческомпьезоэлектри́ческойпьезоэлектри́ческих

пье-зо-э·лек-три́-че-ский

Прилагательное, тип склонения по классификации А. Зализняка — 3a✕~.

Корень: -пьез-; интерфикс: -о-; корень: -электр-; суффикс: -ическ; окончание: -ий [Тихонов, 1996].

Произношение[править]

  • МФА: [ˌpʲjezəɛlʲɪkˈtrʲit͡ɕɪskʲɪɪ̯]

Семантические свойства[править]

Значение[править]
  1. связанный, соотносящийся по значению с существительным пьезоэлектричество ◆ Отсутствует пример употребления (см. рекомендации).
  2. обладающий свойством образовывать пьезоэлектричество ◆ Отсутствует пример употребления (см. рекомендации).
  3. действующий при помощи пьезоэлектричества ◆ Отсутствует пример употребления (см. рекомендации).
Синонимы[править]
Антонимы[править]
Гиперонимы[править]
Гипонимы[править]

Родственные слова[править]

Этимология[править]

Происходит от ??

Фразеологизмы и устойчивые сочетания[править]

Перевод[править]

Список переводов

Библиография[править]

  • Новые слова и значения. Словарь-справочник по материалам прессы и литературы 70-х годов / Под ред. Н. З. Котеловой. — М. : Русский язык, 1984.

Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические датчики относятся к генераторным датчикам. В этих датчиках используется пьезоэлектрический эффект (или, короче, пьезоэффект), который заключается в том, что некоторые материалы под действием на них силы электризуются: на их поверхности появляется электрический заряд, величина которого зависит от приложенной силы. Это означает, что материал, обладающий пьезоэффектом, выполняет преобразование силы в электрический заряд. Природным материалом, который обладает пьезоэффектом, является кварц или горный хрусталь..

Заряд, возникающий вследствие пьезоэффекта, линейно зависит от приложенной силы:

,

где  - коэффициент пьезочувствительности материала.

Точность преобразования силы в заряд довольно высока. Так, кристалл кварца выполняет это преобразование с относительной погрешностью . Дальнейшее преобразование электрического заряда в напряжение выполняет усилитель заряда, и полученное напряжение может быть измерено любым средством измерения напряжения: аналоговым или цифровым вольтметром или АЦП, сопряженным с компьютером.

Пьезоэффект может быть продольным, когда заряд возникает на поверхностях, к которым приложена сила, или поперечным, когда заряд возникает на боковых поверхностях. Материал при этом практически не деформируется.

На рис. 67 представлены схемы, иллюстрирующие продольный (рис. 67 а) и поперечный (рис. 67 б, в) пьезоэффекты, и обозначены знаки возникающих зарядов. Для эффективного использования поперечного пьезоэффекта две пластины пьезоматериалов соединяют параллельно (рис. 67 б), прокладывают между ними проводящую прокладку и закрепляют их, как консольную балку. Образующийся заряд возникает на зажимах, как показано на рисунке. При действии силы F верхняя пластина растягивается, а нижняя сжимается, и заряд возникает на боковых относительно действующих напряжений сторонах пластин. В такой конструкции чувствительность преобразования F ® q существенно выше.

Внимание!

Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас. Бесплатные корректировки и доработки. Узнайте стоимость своей работы.

К достоинствам кристалла кварца применительно к созданию датчиков силы и других величин относится его стойкость к высокой температуре (пьезоэффект утрачивается после точки Кюри при t° = 530°C) и высокая точность и стабильность преобразования.

Затрудняет применение кварца трудоемкость обработки и очень высокое удельное сопротивление, достигающее  Ом. Поверхностное сопротивление кварца гораздо меньше, поэтому для предотвращения утечки заряда приходится применять хорошую изоляцию, а также тщательно обрабатывать поверхности и герметизировать датчики, защищая кристалл кварца от пыли и грязи. Высокие требования предъявляются к кабелю, соединяющему пластины кварца со входом усилителя заряда. Во избежание утечек заряда изоляция между проводами должна быть очень высокой, а емкость между ними минимальной.

Кроме кристалла кварца в пьезоэлектрических датчиках используются пьезокерамики. К пьезокерамикам относится титанат бария, различные разновидности цирконато-титаната свинца и другие. Точность преобразования силы в заряд у этих материалов хуже, чем у кварца.

Пьезокерамики изготавливаются из сегнетоэлектриков, которые не являются кристаллическими веществами и их домены расположены хаотично. Сегнетоэлектрики сильно измельчают, а затем спекают с вяжущим веществом в сильном электростатическом поле. Сравнительные характеристики некоторых пьезоэлектрических материалов приведены в таблице 6.

Допустимое механическое напряжение для всех материалов

~ .

Таблица 6

Сравнительные характеристики пьезоэлектрических материалов

Материал

Коэффициент

пьезочувствительности

 

продольной                            поперечной

Точка

Кюри

°С

Кристалл кварца

                              

4,5

530

Титанат бария

                             

1700

150

Цирконато-титанат

свинца (ЦТС)

             

1300

до 400

Из сказанного ясно, что на основе подобных материалов, обладающих пьезоэффектом, могут быть созданы пьезоэлектрические датчики силы, ускорения и давления. От подобных тензорезистивных датчиков пьезоэлектрические отличаются повышенной температурной стойкостью и повышенной надежностью. Однако при невысоких температурах применения в связи с успехами в микротехнологии тензорезистивные датчики успешно конкурируют с пьезоэлектрическими.

На рис. 68 показаны цепочки преобразований, которые выполняются с участием перечисленных датчиков. На этом рисунке усилитель заряда включен в состав пьезоэлектрического датчика с учетом современной тенденции встраивания вторичных преобразователей в корпуса датчиков вторичных преобразователей. В результате входные цепи усилителя приближаются непосредственно к источнику заряда и тем самым уменьшаются погрешности, вызванные несовершенством изоляции кабеля и его емкостью, которая частично шунтирует пьезоэлемент датчика. Однако, при этом к датчику приходится подводить питание, необходимое для работы усилителя.

Усилитель заряда - общий для всех типов пьезоэлектрических датчиков. Он представляет собой усилитель напряжения с большим коэффициентом усиления порядка , охваченный глубокой отрицательной емкостной обратной связью. В связи с этим усилитель является, по сути, конденсатором, на выходе которого развивается напряжение   , где  = (50 ¸ 100) пФ - емкость конденсатора, стоящего в цепи обратной связи. Упрощенная схема такого усилителя представлена на рис. 69. Параллельно с конденсатором обратной связи включается активное сопротивление  Ом. Современная элементная база позволяет достичь чувствительности усилителя заряда до 1 В/пКл.

Рассмотрим характерные конструктивные особенности пьезоэлектрических датчиков.

Схемы  воздействия  силы   на   пьезоэлемент  датчика   представлены  на рис. 67. Для того, чтобы обеспечить наилучшую изоляцию, в датчике силы, работающем по принципу, показанному на рис. 67 а, используется изоляция, которая обеспечивается самим пьезоэлементом. Для этого применяется составной пьезоэлемент, состоящий из двух пластин, между которыми проложена проводящая прокладка (см. рис. 70 а). Используется продольный пьезоэффект, пластины пьезоэлементов 4 соединяются располагаются так, чтобы заряды, возникающие под действием измеряемой силы, были направлены навстречу друг другу. Электрическое соединение пластин - параллельное. Поскольку верхняя и нижняя пластины вынуждены контактировать с корпусом датчика 1, отвод заряда с них осуществляется с помощью коаксиального кабеля, центральный провод которого 2 присоединен к внутренним сторонам пластин пьезоэлементов, а внешняя оболочка 3 соединяется с корпусом,. Далее следует усилитель заряда и все последующие преобразователи. Точно так же обеспечивается наилучшая изоляция и в случае использования поперечного пьезоэффекта в соответствии с рис. 67 б. Подобная схема размещения пьезоэлементов показана на

рис. 70 г и является типичной также для датчиков давления. Для датчика ускорения, в котором тело 5 с массой m не контактирует с корпусом, эта схема не используется.

С развитием полупроводниковой микротехнологии тензорезистивные датчики давления и ускорения становятся все более серьезными конкурентами пьезоэлектрических датчиков тех же измеряемых величин. Единственной позицией, которую прочно занимают пьезоэлектрические датчики, является измерение очень высоких импульсных давлений при высоких температурах. Примером таких измерений могут служить измерения давления взрыва в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания: дизельных и бензиновых. В этой области наилучшими характеристиками обладают пьезоэлектрические датчики фирмы "Kistler" (Германия). В некоторых из этих датчиков, предназначенных для работы при очень высокой температуре, применяется водяное охлаждение. Точность датчиков фирмы "Kistler" составляет 0.2% на пределах измерения до 20.0 МПа и выше. Частотная полоса - до 80.0 кГц. Фирмой выпускаются одноосные, двухосные и трехосные пьезоэлектрические датчики ускорения. Высокочувствительные миниатюрные пьезоэлектрические датчики ускорения с выходным сигналом в виде заряда или напряжения выпускает также  фирма  Bruel & Kjaer  (Дания)  с  частотным  диапазоном  до 50 кГц. Масса датчиков - от 3 г до 12 г. Пьезоэлектрические датчики для сейсмических измерений, в частности, с целью раннего прогнозирования землетрясений выпускает фирма PCB Piezotronics.

Погрешность лучших современных пьезоэлектрических датчиков ускорения достигает (0,2 ¸ 0,5) %.

Поможем написать любую работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Узнать стоимость

Обратный пьезоэффект и его применение

Первый пьезоэффект был изобретен в 1880 году двумя братьями ученых, а именно «Пьером Кюри» и «Жаком». Этот эффект был обнаружен по приложенному к кристаллу давлению, в противном случае кварц образует электрический заряд в материале. Позже они сослались на такой научный факт, как пьезоэлектрический эффект. «Братья Кюри» быстро изобрели «обратный пьезоэлектрический эффект », и после того, как они подтвердили, что всякий раз, когда электрическое поле требуется на клеммы кристалла, это приводит к искажению.Это известно как обратный пьезоэлектрический эффект. Название пьезоэлектрический происходит от греческого слова. Значение пьезо-слова в противном случае сжато, тогда как электрический означает янтарный.

Что такое пьезоэлектрический эффект?

Пьезоэлектрический эффект можно определить как способность определенных материалов генерировать электрический заряд в ответ на приложенное механическое давление. Одна из исключительных характеристик этого эффекта - обратимость.Это означает, что материалы демонстрируют прямой пьезоэлектрический эффект, а также обратный пьезоэлектрический эффект.


Пьезоэлектрический эффект

Всякий раз, когда пьезоэлектрический материал находится под механическим напряжением, происходит перенос как положительных, так и отрицательных зарядов внутри материала, что происходит во внешнем электрическом поле. Когда они инвертируются, внешнее электрическое поле также расширяет пьезоэлектрический материал.

Применения пьезоэлектрического эффекта в основном связаны с производством, а также обнаружением звука, микровесами, генерацией высоких напряжений, а также электронной частотой, очень точной фокусировкой оптических узлов.Это основа ряда научных инструментальных методов атомного разрешения, таких как СТМ, АСМ (сканирующие зондовые микроскопы). Обычное применение пьезоэффекта - источник взрыва зажигалок.

Пример пьезоэлектрического эффекта

Как мы уже говорили, электричество можно генерировать путем сжатия пьезоэлектрического материала. Пьезоэлектрический эффект в кристалле равен , обсуждаемым ниже. Пьезоэлектрический эффект возникает при сжатии пьезоэлектрического материала.Пьезокерамический материал, такой как пьезоэлектрический кристалл, помещается между двумя металлическими пластинами, которые показаны в приведенном ниже примере. Пьезоэлектричество может возникать всякий раз, когда материал сжимается путем приложения механического напряжения.

Пример пьезоэлектрического эффекта

На приведенном выше рисунке на материале присутствует потенциал напряжения. Металлические пластины в приведенной выше схеме могут быть зажаты между пьезоэлектрическим кристаллом. Две металлические пластины собирают заряды, которые создают напряжение, известное как пьезоэлектричество.

В этом методе пьезоэлектрический эффект действует как маленькая батарея, поскольку она генерирует электричество. Это называется прямым пьезоэлектрическим эффектом . Есть несколько устройств, которые могут использовать прямые пьезоэлектрические эффекты, такие как датчики давления, микрофоны, гидрофоны и сенсорные устройства.

Обратный пьезоэлектрический эффект

Обратный или обратный пьезоэлектрический эффект может быть определен как всякий раз, когда пьезоэлектрический эффект реверсируется.Его можно сформировать, приложив электрической энергии , чтобы кристалл расширился. Основная функция этого эффекта - преобразование электрической энергии в механическую.

Обратный пьезоэлектрический эффект

Используя этот эффект, мы можем разработать устройства для генерации звуковых звуковых волн. Лучшими примерами таких устройств являются динамики, иначе гудки.

Основным преимуществом использования этих динамиков является то, что они очень тонкие, что делает их функциональными для различных телефонов.Даже в преобразователях сонара и в ультразвуковом оборудовании используется обратный пьезоэлектрический принцип . Неаудио обратные пьезоэлектрические устройства включают в себя приводы, а также двигатели.

Как использовать этот эффект?

Пьезоэлектрический кристалл Скручивание может осуществляться разными способами на разных частотах. Это скручивание можно назвать режимом вибрации. Кристаллу можно придать различные формы для достижения различных режимов вибрации.
Несколько режимов были расширены для работы во многих частотных диапазонах для понимания небольших, экономичных, а также высокопроизводительных устройств.

Эти режимы позволяют создавать продукты для работы в диапазоне низких кГц-МГц. Виды колебаний: изгиб, продольный, площадь, радиус, сдвиг по толщине, захваченная толщина, поверхностная акустическая волна и волна BGS.

Керамика представляет собой значительную коллекцию из пьезоэлектрических материалов . Murata использует эти различные режимы вибрации, а также керамику для изготовления множества ценных продуктов, таких как керамические дискриминаторы, керамические ловушки, керамические BPF (полосовые фильтры) , керамические резонаторы, зуммеры, а также фильтры на ПАВ.

Применение пьезоэлектрического эффекта

Применение пьезоэлектрического эффекта включает следующее.

  • Пожалуйста, обратитесь по ссылке, чтобы узнать о проекте пьезоэлектрического эффекта , а именно о Footstep Power Generation System .
  • Пьезоэлектрические датчики используются в промышленных приложениях для различных целей, таких как датчики детонации двигателя, датчики давления, гидроакустическое оборудование и т.д. Оптическая регулировка, ультразвуковая очистка, ультразвуковая сварка, пьезоэлектрические двигатели, приводы стека, приводы полос, пьезоэлектрические реле и т. Д.
  • Пьезоэлектрические преобразователи используются в медицине для различных целей, таких как ультразвуковая визуализация, ультразвуковые процедуры.
  • Пьезоэлектрические приводы используются в бытовой электронике, такой как пьезоэлектрические принтеры (матричный принтер, струйный принтер), пьезоэлектрические динамики (сотовые телефоны, ушные вкладыши, звуковые игрушки, музыкальные поздравительные открытки и музыкальные шары). Пьезоэлектрические зуммеры, пьезоэлектрические увлажнители воздуха и электронные зубные щетки.
  • Пьезоэлектрические материалы используются в музыкальных приложениях, таких как звукосниматели и микрофоны.
  • Пьезоэлектричество используется в оборонных приложениях, таких как микроробототехника, пули для изменения курса и т. Д.
  • Пьезоэлектричество используется в некоторых других приложениях, таких как пьезоэлектрические зажигалки, производство электроэнергии, MEMS (микроэлектронные механические системы), теннисные ракетки и т. Д.

Таким образом, это все обзор пьезоэлектрического эффекта. Из приведенной выше информации, наконец, мы можем сделать вывод, что пьезоэлектрический эффект - это способность определенных материалов производить электрическую энергию при приложении механического напряжения.Основные характеристики этого эффекта обратимы, что означает, что материалы, которые генерируют прямой пьезоэлектрический эффект, также создают обратный пьезоэлектрический эффект. Вот вам вопрос, что такое пьезоэлектрический эффект в ультразвуке ?

Технология пьезоэлектрического принтера

Запатентованная технология струйной печати Epson использует пьезокристалл на задней стороне резервуара для чернил. Это скорее похоже на конус громкоговорителя - он изгибается, когда через него протекает электрический ток.Таким образом, всякий раз, когда требуется точка, к пьезоэлементу подается ток, элемент изгибается и тем самым выталкивает каплю чернил из сопла.

У пьезометода есть несколько преимуществ. Этот процесс позволяет лучше контролировать форму и размер капель чернил. Крошечные колебания в кристалле позволяют уменьшить размер капель и, следовательно, более высокую плотность сопла. Кроме того, в отличие от термической технологии, чернила не нужно нагревать и охлаждать между каждым циклом.Это экономит время, а сами чернила больше рассчитаны на их впитывающие свойства, чем на способность выдерживать высокие температуры. Это дает больше свободы для разработки новых химических свойств чернил.

Новейшие струйные принтеры Epson имеют черные печатающие головки со 128 соплами и цветные (CMY) печатающие головки со 192 соплами (по 64 для каждого цвета), что обеспечивает собственное разрешение 720 на 720 точек на дюйм.Поскольку пьезопроцесс позволяет получать маленькие и идеально сформированные точки с высокой точностью, Epson может предложить улучшенное разрешение 1440 на 720 точек на дюйм, хотя это достигается за счет того, что печатающая головка делает два прохода, что приводит к снижению скорости печати. Специально разработанные чернила Epson для использования с пьезотехнологией основаны на растворителях и очень быстро сохнут. Они проникают в бумагу и сохраняют свою форму, а не растекаются по поверхности и заставляют точки взаимодействовать друг с другом.Результат - исключительно хорошее качество печати, особенно на мелованной или глянцевой бумаге.

Связанные

Пьезоэлектрический преобразователь-кварцевый кристалл, пьезоэлектрический эффект, работа, преимущества

Пьезоэлектрический кварцевый преобразователь / датчик является активным датчиком и не требует внешнего источника питания, так как он самогенерируется. Прежде чем вдаваться в подробности о преобразователе , важно знать основы пьезоэлектрического кристалла кварца и пьезоэлектрического эффекта.

Пьезоэлектрический кварцевый кристалл

Кристалл кварца - это пьезоэлектрический материал, который может генерировать напряжение, пропорциональное приложенному к нему напряжению. Для применения кристалл природного кварца должен быть вырезан в форме тонкой пластины прямоугольной или овальной формы одинаковой толщины. Каждый кристалл имеет три набора осей - оптические оси, три электрические оси OX1, OX2 и OX3, расположенные под углом 120 градусов друг к другу, и три механические оси OY1, OY2 и OY3 также под углом 120 градусов друг к другу.Механические оси будут расположены под прямым углом к ​​электрическим осям. Некоторые из параметров, которые определяют природу кристалла для приложения, -

  • Угол, под которым пластина вырезается из натурального кристалла кварца
  • Толщина листа
  • Размер пластины
  • Средства крепления
Пьезоэлектрический эффект

Ось X-Y пьезоэлектрического кристалла и техника ее резки показаны на рисунке ниже.

Оси X и Y пьезоэлектрического кристалла

Направление, перпендикулярное самой большой грани, является указанной осью реза.

Если электрическое напряжение приложено в направлениях электрической оси (оси X), механическая деформация возникает в направлении оси Y, которая перпендикулярна соответствующей оси X. Точно так же, если механическое напряжение задано вдоль оси Y, электрические заряды будут создаваться на гранях кристалла, перпендикулярных оси X, которая расположена под прямым углом к ​​оси Y.

Некоторые из материалов, которые наследуют пьезоэлектрический эффект, - это кристаллы кварца, соль Рошеля, титанат бария и т. Д.Основные преимущества этих кристаллов заключаются в том, что они обладают высокой способностью к механическому и тепловому состоянию, способностью выдерживать высокие нагрузки, малой утечкой, хорошей частотной характеристикой и т. Д.

Пьезоэлектрический преобразователь может работать в одном из нескольких режимов, как показано на рисунке ниже.

Пьезоэлектрический кристалл
Пьезоэлектрический преобразователь

Основной принцип пьезоэлектрического преобразователя заключается в том, что сила, прикладываемая к кристаллу кварца, создает электрические заряды на поверхности кристалла.Произведенный таким образом заряд можно назвать пьезоэлектричеством. Пьезоэлектричество можно определить как электрическую поляризацию, возникающую в результате механической деформации определенного класса кристаллов. Скорость производимого заряда будет пропорциональна скорости изменения силы, приложенной как вход. Поскольку производимый заряд очень мал, необходим усилитель заряда, чтобы обеспечить выходное напряжение, достаточно большое для измерения. Также известно, что устройство механически жесткое. Например, если на датчик приложено усилие в 15 кН, он может отклоняться только до нуля.002мм. Но выходной отклик может достигать 100 кГц. Это доказывает, что устройство лучше всего подходит для динамических измерений.

На рисунке показан обычный пьезоэлектрический преобразователь с пьезоэлектрическим кристаллом, вставленным между твердым основанием и элементом суммирования сил. Если к порту давления приложена сила, такая же сила будет приходиться на элемент суммирования сил. Таким образом, на кристалле будет создаваться разность потенциалов из-за его свойств. Произведенное напряжение будет пропорционально величине приложенной силы.

Пьезоэлектрический преобразователь
Пьезоэлектрический преобразователь
может измерять давление таким же образом, как можно измерить силу или ускорение . При измерении низкого давления необходимо компенсировать возможную вибрацию количества. Пакет кварцевых дисков для измерения давления обращен к давлению через диафрагму , а с другой стороны этого набора - компенсирующую массу, за которой следует компенсирующий кварц.
Приложения
  1. Благодаря отличной частотной характеристике, он обычно используется в качестве акселерометра, где выходной сигнал составляет порядка (1-30) мВ на силу ускорения.
  2. Устройство обычно предназначено для использования в качестве болта предварительного натяжения, так что можно проводить измерения как силы растяжения, так и силы сжатия.
  3. Может использоваться для измерения силы, давления и смещения по напряжению.
Преимущества
  1. Очень высокая частотная характеристика.
  2. Самостоятельная генерация, поэтому нет необходимости во внешнем источнике.
  3. Просты в использовании, так как они имеют небольшие размеры и большой диапазон измерения.
  4. Титанат бария и кварц могут быть изготовлены в любой желаемой форме. Также он имеет большую диэлектрическую проницаемость. Ось кристалла выбирается путем ориентации направления ориентации.
Недостатки
  1. Не подходит для измерения в статическом состоянии.
  2. Поскольку устройство работает с небольшим электрическим зарядом, для электрического интерфейса необходим кабель с высоким сопротивлением.
  3. Выходная мощность может изменяться в зависимости от изменения температуры кристалла.
  4. Относительная влажность поднимается выше 85% или падает ниже 35%, это повлияет на ее производительность.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *