Пьезоэлементы: принцип работы, виды и применение в ультразвуковой диагностике — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое пьезоэлемент и как он работает. Какие бывают виды пьезоэлементов. Как применяются пьезоэлементы в ультразвуковых датчиках. Какие характеристики важны при выборе пьезоэлементов. Какие материалы используются для изготовления пьезоэлементов.

Содержание

Что такое пьезоэлемент и принцип его работы

Пьезоэлемент — это устройство, которое преобразует механическую энергию в электрическую и наоборот. Принцип работы пьезоэлемента основан на пьезоэлектрическом эффекте.

Суть пьезоэлектрического эффекта заключается в следующем:

При механическом воздействии на пьезоэлемент в нем возникает электрический заряд (прямой пьезоэффект)
При подаче электрического напряжения пьезоэлемент деформируется (обратный пьезоэффект)

Таким образом, пьезоэлемент может работать как в режиме приемника механических колебаний, так и в режиме излучателя. Это свойство и позволяет использовать пьезоэлементы в ультразвуковых датчиках.

Основные виды пьезоэлементов

По форме и конструкции выделяют следующие основные виды пьезоэлементов:

Пластинчатые — в виде плоских пластин прямоугольной или круглой формы
Стержневые — в форме цилиндрических стержней
Кольцевые — в виде кольца или полого цилиндра
Биморфные — состоящие из двух склеенных пластин
Многослойные — из нескольких пьезоэлектрических слоев

Выбор типа пьезоэлемента зависит от конкретного применения и требуемых характеристик.

Материалы для изготовления пьезоэлементов

В качестве материалов для пьезоэлементов используются:

Природные кристаллы — кварц, турмалин
Синтетические кристаллы — ниобат лития, танталат лития
Пьезокерамика — цирконат-титанат свинца (ЦТС), титанат бария
Полимерные пьезоэлектрики — поливинилиденфторид (ПВДФ)

Наиболее распространенным материалом является пьезокерамика ЦТС, обладающая высокими пьезоэлектрическими свойствами.

Применение пьезоэлементов в ультразвуковых датчиках

Ультразвуковые датчики — это основная область применения пьезоэлементов в медицинской диагностике. В ультразвуковом датчике пьезоэлемент выполняет две ключевые функции:

Излучает ультразвуковые волны в исследуемую среду
Принимает отраженные волны и преобразует их в электрический сигнал

Таким образом, пьезоэлемент является ключевым компонентом, обеспечивающим работу ультразвукового датчика. От характеристик пьезоэлемента во многом зависит качество получаемого ультразвукового изображения.

Важные характеристики пьезоэлементов для УЗИ

При выборе пьезоэлементов для ультразвуковых датчиков важны следующие характеристики:

Резонансная частота — определяет рабочую частоту датчика
Коэффициент электромеханической связи — характеризует эффективность преобразования энергии
Механическая добротность — влияет на ширину полосы рабочих частот

Диэлектрическая проницаемость — определяет электрическую емкость
Пьезомодуль — характеризует чувствительность пьезоэлемента

Оптимальное сочетание этих параметров позволяет создавать высокоэффективные ультразвуковые датчики.

Конструкция пьезоэлектрических преобразователей для УЗИ

Типовая конструкция пьезоэлектрического преобразователя для ультразвуковой диагностики включает следующие основные элементы:

Пьезоэлемент — обычно в виде диска из пьезокерамики
Демпфер — поглощает колебания с тыльной стороны пьезоэлемента
Согласующий слой — обеспечивает передачу колебаний в исследуемую среду
Электроды — для подключения электрических цепей
Корпус — защищает внутренние элементы

Правильный подбор всех компонентов позволяет оптимизировать параметры датчика под конкретные задачи.

Преимущества и недостатки пьезоэлементов

Пьезоэлементы имеют ряд преимуществ, обусловивших их широкое применение в ультразвуковой диагностике:

Высокая чувствительность
Широкий диапазон рабочих частот
Простота конструкции
Возможность миниатюризации
Низкое энергопотребление

К недостаткам можно отнести:

Хрупкость пьезокерамики
Зависимость характеристик от температуры
Подверженность старению

Однако преимущества пьезоэлементов значительно перевешивают их недостатки в большинстве применений.

Перспективы развития пьезоэлементов для УЗИ

Основные направления совершенствования пьезоэлементов для ультразвуковой диагностики включают:

Разработку новых пьезоэлектрических материалов с улучшенными характеристиками
Создание многослойных структур для повышения чувствительности
Применение композитных материалов для расширения полосы частот

Уменьшение размеров элементов для повышения разрешающей способности
Интеграцию пьезоэлементов с электронными компонентами

Эти инновации позволят существенно улучшить качество ультразвуковой диагностики в будущем.

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. Датчик если не самый важный элемент аппарата для УЗИ, то один из главных. От него зависит около 70% качества диагностического изображения;
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. 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»

Пьезоэлектрические элементы

1. Прямоугольная пластина (Рисунок 2.6) обычно используется для возбуждения колебаний на резонансной частоте, определяемой толщиной пьезоэлемента.

Рисунок 2.6 – Пьезоэлемент в виде пластины

2. При работе в диапазоне низких частот часто используются изгибные моды колебаний. В этом случае две пьезопластины склеиваются механически по большим граням, образуя так называемый биморфный элемент (Рисунок 2.7). Электроды биморфного элемента включаются так, что при подаче на его электроды напряжения, один из пьезоэлементов сжимается, другой расширяется. При этом вся конструкция изгибается и резонансная частота определяется собственной частотой изгиба колеблющейся мембраны.

Рисунок 2.7 – Биморфный пьезоэлемент
3. Круглые пьезоэлементы (Рисунок 2.8) работают либо на толщинных, либо на радиальных модах колебаний. В этом случае пьезоэлемент имеет две резонансные частоты, определяемые диаметром и толщиной пьезоэлемента: f1=C/2h и f2=C/2D

Рисунок 2.8 – Круглый пьезоэлемент
4. Трапецеидальные пьезоэлементы (Рисунок 2.9) применяются в качестве деталей составных колец, работающих на колебаниях в НЧ диапазоне.

Рисунок 2.9 – Трапецеидальный пьезоэлемент
5. Прямоугольные и круглые стержни обычно работают на продольных колебаниях, то есть их длина соответствует половине длине волны возбуждающей колебания. Иногда используют поперечные колебания стержня и очень часто крутильные колебания.

6. Цилиндрические и сферические пьезоэлементы (Рисунок 2.10) используются на радиальных модах колебаний. Рассмотрим, как происходят колебания на примере сферы и цилиндра.

Рисунок 2.10 – Цилиндрические и сферические пьезоэлементы
7. Пьезоэлементы в виде кольца (Рисунок 2.11) имеют три резонансные частоты и используются в режиме толщинного резонанса.

Рисунок 2.11 – Пьезоэлемент кольцевого типа
Электроды на поверхности пьезоэлементов наносятся разными способами — напылением в вакууме, приклеиванием серебряной или золотой фольги, вжиганием серебряной пасты.
Основные требования к электродам.
1. Высокая адгезионная прочность к керамике (наилучшие результаты получают ме-тодом вжигания).
2. Не окисляемость на воздухе, то есть изготовление из не окисляющихся металлов.

Резонансные размеры пьезоэлементов

© 2021, ООО «Центр ультразвуковых технологий»
Любое использование материалов сайта возможно лишь с разрешения правообладателя и только при наличии ссылки на www.u-sonic.ru

Создание сайта — Mitra

Пьезоэлементы ультразвуковые для УЗТ аппаратов и ингаляторов с гарантией по выгодной цене

Пьезоэлементы нашли очень масштабное применение в самых разнообразных видах деятельности, не исключая и медицину.

В ультразвуковых пьезоэлементах за основу взят эффект пьезоэлектрический. Его принцип заключается в изменении кристаллами и керамики первоначальной формы под внешним воздействием, создаваемым электрическим напряжением. Причем изменение формы происходит с определенной периодичностью в течение всего времени воздействия. Таким образом, создаются колебания механического характера и, как следствие, ультразвуковые волны. Причем эффект, создаваемый пьезоэлементом является обратимым — ввиду того, что возникающие ультразвуковые волны также влияют на изменение формы кристалла, которое сопровождается наличием напряжения. Величина напряжения, возникающего вследствие деформации пьезоэлемента, измерима.

Другими словами возможно применение пьезоэлемента как излучателя, так и приемника УЗ-волн.

Для действия пьезоэлемента при УЗТ необходимо наличие проводящей среды. То есть генерируемые пьезоэлементом ультразвуковые волны и среда, где будет происходить воздействие, должны иметь между собой, так называемый проводник. Как правило,им является обычный ультразвуковой гель. Он облегчает проникновение волн с жесткой поверхности на мягкие ткани.

Довольно частую ошибку допускает медицинский обслуживающий персонал при санитарно-гигиенической обработке ультразвукового датчика. Она заключается в обработке этиловым спиртом, что ведет к разрушению соединяющей среды. Поэтому обработка датчика должна происходить строго с соблюдением правил, указанных в инструкции!

Купить пьезоэлемент ультразвуковой доступно на сайте нашей компании. В разделе “Запчасти для физиотерапии” Вы сможете приобрести пьезоэлемент для ингалятора Вулкан, пьезоэлемент к УЗТ 1.01 Ф аппарату и др.

Пьезоэлемент — Энциклопедия по машиностроению XXL

Помимо пьезомодуля, значение которого зависит от кристаллографического направления, для оценки пьезоэлементов применяют коэффициент электромеханической связи К, характеризующий эффективность преобразования механической энергии в электрическую и наоборот (при прямом и обратном пьезоэффекте), а также механическую добротность Qm, определяемую потерями на внутреннее трение в. материале, от значения которой существенно зависит увеличение амплитуды колебаний элемента при резонансной частоте. Работоспособность пьезоматериалов определяется также значениями г,, tg б и точкой Кюри Тс. [c.558]
Материалы класса I применяют для высокочувствительных пьезоэлементов, в частности, в режиме слабых сигналов, когда определяющим параметром является пьезомодуль. [c.558]

Материалы класса П1 применяют для пьезоэлементов с повышенной стабильностью резонансных частот во времени и с изменением температуры, с высокой механической добротностью Qm. [c.558]

К классу IV относят материалы для высокотемпературных пьезоэлементов (с Гс выще 300 °С). [c.558]

Отсюда следует, что по изменению сопротивления АД можно определить деформацию е . По сравнению с емкостными датчиками, используемыми в мерном стержне Девиса, датчики сопротивления имеют преимущество, а именно с их помощью возможно непосредственное измерение деформации и отпадает необходимость в дифференцировании кривой и ( . Однако датчики сопротивления обладают следующими недостатками конечная длина датчика ограничивает его разрешающую способность при быстро изменяющихся деформациях датчик сопротивления измеряет деформацию на поверхности стержня. В последнее время при исследовании процесса распространения волн напряжений широко используются датчики, основанные на пьезоэлектрическом эффекте. В зависимости от конструкции пьезодатчиков можно получить высокие частоты собственных колебаний (до 60 кГц), что находится в соответствии с указанными требованиями. Датчик содержит чувствительный элемент (цилиндрический или кольцевой) из поляризованной пьезокерамики, инерционный груз и контактное устройство, соединяющее пьезоэлемент с регистрирующей аппаратурой. Пьезоэлемент датчика, как правило, изготовляется из титаната бария. Недостатком таких датчиков является непостоянство чувствительности, что требует тарировки каждого датчика отдельно. Как и датчик сопротивления, пьезодатчик измеряет среднее напряжение на площадке контакта, поэтому при проведении эксперимента, в котором спектр волн напряжений содержит компоненты высокой частоты, должна быть обеспечена высокая точность его выполнения. В отличие от датчиков сопротивления, которые позволяют производить измерения в одном направлении, датчики с титанатом бария одинаково чувствительны к напряжениям в направлении длины и радиальном направлении. [c.26]

Sr .J (Zr ,,3 — Т1 ,4,)Оз + Та,А (1 %). По величине пьезомодулей йлз = 28,3-lO i м1в и 31= 12,3-10 м/в и коэффициента связи /Ср = 0,45, а также стабильности керамика ЦТС значительно превосходит титанат бария. Пьезоэлементы из ЦТС допускают значительно [c.163]

Пьезоэлементы из органических полупроводников при частотах выше резонансной ведут себя как индуктивности это может быть использовано для резонансных контуров в интегральных схемах. [c.213]

Для получения произвольных углов ввода применяют универсальные (с переменным углом ввода) преобразователи, в которых с помощью простого механизма пьезоэлемент перемещают по окружности полуцилиндра либо изменяют его положение внутри призмы или локальной ванны. [c.207]

Корпус служит для обеспечения прочности конструкции, а также для экранирования пьезоэлемента и его выводов от электромагнитных помех, поэтому корпус из пластмассы металлизируют. [c.207]

Структура акустического поля усложняется, если форма пьезоэлемента не обладает центральной симметрией. Для пластины прямоугольной формы диаграммы направленности различны [c.216]

Размер мнимого пьезоэлемента в направлении, перпендикулярном к плоскости падения УЗК, сохраняется, а в плоскости падения он уменьшается до значения [c.217]

Для излучения и приема ультракоротких (до единиц наносекунд) аку стических импульсов применяют наиболее широкополосные из известных, так называемые толстые пьезопреобразователи [25], Б которых толщина используемых пьезоэлементов намного больше длины волны возбуждаемых в них импульсов УЗК. В этих преобразователях отсутствуют условия для акустического резонанса и электромеханическое преобразование происходит только у излучающей (принимающей) УЗК поверхности пьезоэлемента, где существует резкий скачок поляризации или (и) возбуждающего электрического поля. [c.219]

Существует много разновидностей толстых пьезопреобразователей с равномерной и неравномерной по объему пьезокерамического элемента поляризацией и электродами, расположенными на противоположных параллельных и непараллельных гранях пьезоэлемента с равномерной и неравномерной по объему поляризацией и компланарными электродами, расположенными на одной излучающей (принимающей) грани пьезоэлемента, назы- [c.219]

Форма, длительность и амплитуда излучаемого (зондирующего) импульса определяются его спектром. Ударный генератор во взаимодействии с колебательным контуром (в который входит пьезоэлемент) вырабатывает быстро затухающий импульс синусоидальных электрических колебаний. Спектр этого импульса существенно искажается при трансформации преобразователем электрических колебаний в акустические и обратно, прохождении через контактные слои преобразователь — изделие, распространении в изделии, отражении от дефекта и усилении приемным трактом дефектоскопа. Наименьшие искажения претерпевает радиочастотный колоколообразный импульс, но генераторы для их возбуждения в дефектоскопах применяются редко. [c.241]

Акустические сигналы преобразуются пьезоэлементами преобразователя в электрические импульсы. Последние поступают через согласующие приемные устройства ПУ и через уже [c.270]

Система с электронным секторным сканированием по сравнению с системой с линейным сканированием указанных недостатков почти не имеет. Интроскопы этой системы содержат обычно преобразователи с 8—16 пьезоэлементами. Возбуждаются пьезоэлементы с задержками. Линейно нарастающие от элемента к элементу задержки обеспечивают наклонный ввод ультразвука, а квадратичное распределение задержек относительно среднего элемента обеспечивает фокусировку луча. Система с электронным секторным сканированием обеспечивает большую зону обзора при малой требуемой контактной площадке, но является и самой сложной в практической реализации системой. [c.271]

Полное изображение типа С образуется при перемещении преобразователя в направлении, перпендикулярном к направлению электронного сканирования. При этом сигналы коорди-, нат строки вырабатываются датчиками координат, как в системе с ручным (механическим) сканированием. Более простое решение этой задачи может быть получено с применением двумерного электронного сканирования. Пьезоэлементы двумерной матрицы (например, с числом элементов 8X8) возбуждаются с задержками, обеспечивающими сложение амплитуд акустических импульсов лишь на определенных направлениях в объекте контроля. Аналогично в тракте приема принятые пьезоэлементами сигналы предварительно задерживаются так, что суммирование амплитуд соответствует направлению излучения. [c.271]

Недостатком РС-преобразователя, показанного на рис. 86, где один из пьезоэлементов, зондирующий изделие по глубине ai, работает в совмещенном режиме излучателя и приемника продольных УЗК, является большая мертвая зона и малая амплитуда сигналов, соответствующих головным волнам, вследствие того, что оба преобразователя расположены параллельно к поверхности изделия. [c.278]

Основной частью п ь е з о п р е о б р а з о в а т е л я является пьезоэлемент, наиример, пластина кварца, титаната бария в виде диска толщиной, равной половине длины волны ультракоротких (УК) колебаний. Преобразователи разделяются на прямые — вводят продольную волну нерпендикулярно контролируемой поверхности наклонные — вводят нонеречную волну под углом к поверхности раздельно-смещенные — вводят продольную волну под углом 5… 10° к плоскости, перпендикулярной поверхности ввода. [c.131]

На рис. 182 приведена блок-схема ультразвукового миниметра УТ-602. Миниметр состоит из генератора зондирующих импульсов У, к которому подсоединен передающий пьезоэлемент ПЭГТ[,. преобразующий электрические колебания в механические с собственной частотой и частотой пьезоэлемента. [c.370]

Эти колебания распространяются в детали до противоположной поверхности, снова отражаясь на приемный пьезоэлемент ПЭП2. Задержка по времени отраженного импульса от зондирующего пропорциональна толщине измеряемой детали. Импульсы с приемного пьезоэлемента усиливаются объектом 3 и поступают на вход осциллографа 4. [c.370]

Пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП). Основной частью данных преобразователей является пьезоэлемент — пластина из кварца, титаната бария или пъезокера-мики [например, цирконат-титанат свинца (ЦТС), твердые растворы четырехкомпонентных систем ПКР). Пластина представляет собой диск, толпщна которого равна половине длине волны УЗК. ПЭП разделяют на прямые (излучают продольную волну перпендикулярно поверхности), наклонные (излучают поперечную волну под углом к поверхности) и раздельно-смещенные (излучают продольную волну ггод углом 5… 10° к плоскости, перпендикулярной поверхности ввода). Их основные элементы представлены на рис. 6.27. [c.180]

Пьезоэлектрики — кристаллические диэлег.трики, не имеющие центра симметрии, в которых под действпе. м механических напряжений возникает электрическая поляризация (прямой пьезоэлектрический эффект), а под действием внешнего электрического поля — механическая деформация (обратный пьезоэлектрический эффект). Таким образом, с помощью пьезоэлектриков можно преобразовывать электрические сигналы в механические и наоборот. Между поверхностной плотностью заряда (/, образующегося при прямом пьезоэффекте на поверхности поляризованного кристалла, и механическим напряжением а существует прямо пропорциональная зависимость q = do, причем знаки зарядов на электродах пьезоэлемента зависят от направления механических напряжений (сжатие — растяжение). Механическая деформация и в такой же зависимости находится с напряженностью внешнего электрического поля Е при обратном пьезоэффекте u = dE, а характер деформации (сжатие или растяже- [c.557]

Если к пьезоэлементу приложить переменное напряжение, то в нем возникнут переменные механические колебания. Амплитуда их меняется при изменении частоты переменного поля при совпадении частоты поля с собственной (резонансной) частотой пьезоэлемента амплитуда приобретает максимальное значение. Это позволяет представить такой пьезоэлемёнт эквивалентной электрической резонансной схемой. Подобно колебательному электрическому контуру пьезоэлектрический резонатор характеризуют механической добротностью Q. [c.159]

Для пьезоэлементов из природного кварца обычно допускают температуру (—50) (+90)° G. Если необходима высокая стабилизация частоты, пьезоэлемент помещается в камеру (термостат), где автоматически по,пдерживается неизмененная температура. Природный кварц в последнее время заменяют синтетическим кварцем, имеющим ряд преимуществ. Так, добротность иьезоэлемента из природного кварца резко надает при нагревании до 250° С пьезоэлементы из синтетического кварца сохраняют высокую Добротность 5-10 при температуре до 500° С. Для устранения внутренних дефектов строения синтетического кристалла вырезанный из него брусок предварительно выдерживают при 500° С под напряжением в течение 48 ч создаваемая напряженность поля имеет величину 500 в1см и направлена по оси 2. После такой обработки из бруска кварца могут быть вырезаны пластинки под различными углами относительно осей х, у, z такие пластинки именуют срезами (рис. 11.6). > [c.161]

Пьезоматериалы. Пьезоэлектрические материалы — материалы, обладающие пьезоэффектом, используются для изготовления пьезоэлементов (пье-зопластин), служащих в акустических приборах НК для преобразования электрических колебаний в упругие и упругих колебаний в электрические. [c.204]

Электрические контакты выполняют пайкой легкоплавкими припоями, особенно на пьезокерамических пластинах, во избежание их располяри-зации. Для соединения преобразователя с электронным блоком дефектоскопа применяют максимально гибкий кабель (микрофонный или коаксиальный). В случае кварцевого пьезоэлемента применяют кабель с минимальной емкостью. Часто для согласования с электронным блоком дефектоскопа внутри корпуса преобразователя размещают трансформатор, катушку индуктивности, резистор. [c.207]

Акустическое поле преобразователя, в котором пьезопластина отделена от поверхности изделия линией задержки (при иммерсионном контроле — жидкостью, при контроле наклонным преобразователем — призмой), приближенно определяется приведенными выше формулами и графиками при использовании мнимого пьезоэлемента (рис. 33). Геометрические построения при этом определяются следующими формулами. Направление акустической оси [c.217]

Преобразователи с электрическим сканированием (фазированные решетки) состоят из мозаики пьезоэлемен-тов, на которые раздельно, падают (снимают) электрические сигналы,Преобразователи выполняют в виде одномерной (линейной) или двумерной решетки с шагом не более длины волны используют для последовательного контроля участков изделия малой толщины, изменения угла ввода (качания) луча в дальней зоне (путем создания регулируемого линейного сдвига фаз сигналов на элементах), фокусировки ультразвукового поля (путем создания параболического закона сдвига фаз), перемещения фокальной области, подавления бокозых лепестков при некотором расширении основного луча диаграммы направленности (путем симметричного изменения амплитуд сигналов от центральных к периферийным элементам). Изготавливают из отдельных идентичных пьезоэлементов или путем выполнения пазов в пьезоэлементе большой площади. [c.219]

Принципиальной особенностью всех разновидностей толстых аьезопреобра-зователей является то, что в режиме приема УЗК их широкополосность реализуется только если выполняется условие RQ) входное сопротивление усилителя, Со — электрическая емкость пьезоэлемента, Ту — длительность принимаемых акустических импульсов. Именно поэтому в приборах, использующих эти преобразователи, применяют усилители импульсов тока (а не напряжения) с = [c.220]

Преобразователь содержит многоэлементный (в рассматриваемом варианте 64 элемента) пьезопреобразователь, соединенный с блоком импульсных генераторов и приемных устройств (Г и ПУ) многоканальным (64 канала) кабелем. Запуском генераторов управляет синхронизатор (Синхр.) через формирователь запуска (ФЗ) и коммутатор. Одновременно включаются поочередно семь, затем восемь импульсных генераторов, которые возбуждают соответственно группу из семи, а потом из восьми пьезоэлементов. Затем коммутатор подключает следующую группу из семи (восьми) генераторов (и пьезоэлементов), смещенную на один элемент относительно предыдущей группы. Всего таких групп по семь-восемь элементов из 64 оказывается 114, и соответственно формируется 114 акустических строк в контролируемом пространстве объекта. С целью повышения поперечного пространственного разрешения в формирователе запуска предусмотрена задержка импульсов запуска генераторов, обеспечивающая фокусировку результирующего акустического поля в требуемой зоне. [c.270]

Очевидно, преобразователи автокалибрующегося толщиномера должны быть раздельно-совмещенными (P ) и содержать минимум два пьезоэлемента, один из которых всегда играет роль приемника головных волн и располагается на жестко фиксированном расстоянии (базе) от излучателя. [c. 278]

В автокалибрующемся толщиномере УТ-55БЭ используется именно такая схема преобразователя все пьезоэлементы выполнены из керамики ЦТС-19 на частоту 2,5 МГц. Преобразователь заключен в миниатюрный латунный корпус с размерами 23 X X 12 X 17 мм. [c.279]

Обязательными узлами автокалибрующегося толщиномера являются два устройства временной задержки (на рис. 86 не показаны). Эти устройства служат для вычитания из полных временных интервалов (т. е. интервалов между моментом возбуждения излучающего пьезоэлемента и моментами появления на выходах приемных пьезоэлементов электрических сигналов) интервалов времени, в течение которых ультразвуковые импульсы проходят по протектору преобразователя, призме приемника головных волн и слою контактной среды. Время задержки каждого устройства подстраивается под конкретный преобразователь. [c.279]

Способ с совмещенным преобразователем. В импедансном дефектоскопе с совмещенным преобразователем (рис. 97) последний представляет собой стержень 1, на торцах которого размещены излучающий 2 и измерительный 3 пьезоэлементы. Между контролируемым изделием 4 и пьезоэлементом 3 находится контактный наконечник 5 со сферической поверхностью. Пьезоэлемент 2 соединен с генератором 6 синусоидального электрического напряжения, пьезоэлемент 3 — с усилителем 7. Масса 8 повышает мощность излучения в стержень 1. Генератор и усилитель соединены с блоком обработки сигнала 9, имеющим стрелочный индикатор 10 на выходе. Блок 9 управляет сигнальной лампоч- [c.295]

Пьезоэлектрические преобразователи | АО Пьезо

Пьезоэлектрики являются обратимыми электромеханическими преобразователями, т. е. способны преобразовывать механическую энергию в электрическую и, наоборот, электрическую энергию в механическую. Преобразователи, основанные на использовании прямого пьезоэффекта, называют преобразователями-генераторами; они имеют механический вход и электрический выход. Преобразователи, основанные на использовании обратного пьезоэффекта, называют преобразователями-двигателями; они имеют электрический вход и механические выходы. Известно множество пьезоэлектрических устройств, основанных на использовании как прямого, так и обратного эффектов. Прямой эффект используется, например, в микрофонах, звукоснимателях, датчиках механических сил, перемещений и ускорений, бытовых зажигалках для газа и др. Обратный эффект послужил основой для создания телефонов, громкоговорителей, ультразвуковых излучателей, реле, двигателей и т. п.

Известны и нашли практическое применение пьезоэлектрические преобразователи — пьезоэлектрические трансформаторы (сокращенно пьезотрансформаторы). Схематически устройство пьезотрансформатора изображено на рисунке, поясняющем, что он представляет собой пьезоэлектрический преобразователь в виде четырехполюсника, имеющего только электрические вход и выход.

Пьезоэлектрический трансформатор

Действие пьезотрансформатора основано на использовании как прямого, так и обратного пьезоэффектов. Электрическое напряжение, приложенное к входным электродам пьезотрансформатора, в результате обратного пьезоэффекта вызывает деформацию всего объёма пьезоэлектрика и на выходных электродах возникает электрическое (вторичное) напряжение как следствие прямого пьезоэффекта. В пьезотрансформаторе происходит как бы двойное преобразование энергии — электрической в механическую, а затем механической в электрическую. Как и электромагнитный трансформатор, пьезотрансформатор используют для преобразования электрического напряжения. Подбором размеров электродов и их расположения можно получать различные значения коэффициента трансформации. Пьезотрансформаторы обычно используют в резонансном режиме, при котором достигаются большие значения коэффициента трансформации (порядка нескольких сотен). Пьезотрансформаторы используют в высоковольтных источниках вторичного электропитания.

Рассмотрим в общих чертах явления, происходящие в пьезоэлектрике, для двух случаев пьезоэлектрического преобразования энергии.

Пьезоэлемент (ПЭ) — тело из пьезоэлектрика определенных размеров, геометрической формы и ориентации относительно основных кристаллографических осей (или направления поляризации в случае пьезокерамики, имеющее проводящие обкладки (электроды).

Пьезоэлемент:
1 — пластина из пьезоэлектрика;
2 — электроды из проводящего матариала, наложенные на грани пластины

Таким образом, пьезоэлемент представляет собой электрический конденсатор с твёрдым (кристаллическим или керамическим) диэлектриком. Особенностью такого конденсатора является наличие пьезоэлектрических свойств у диэлектрика, заполняющего пространство между электродами. Ниже будет показано, какое значение имеет наличие пьезоэффекта и каким образом он оказывает влияние на электрические и механические характеристики пьезоэлемента. Если пьезоэлемент используется как электромеханический преобразователь, то его ориентацию выбирают исходя из требований достижения наибольшего эффекта. Внешние силы (как механические, так и электрические), воздействующий на пьезоэлемент, могут быть как распределенными, так и сосредоточенными. Распределенные силы позволяют достичь более эффективного преобразования. Поэтому для более эффективной поляризации объема пьэзоэлектрика используют электроды,. покрывающие всю площадь граней пьезоэлемента, а для создания равномерно распределенного механического напряжения — накладки из упругого материала, хорошо прилегающие к граням пьезоэлемента и преобразующие внешние сосредоточенные силы в распределенные.

Внешняя сила вызывает деформацию пьезоэлемента, его поляризацию и возникновение на электродах противоположных электрических зарядов. Величина электрического заряда или возникающего при этом напряжения может быть измерена соответствующим измерительным прибором, присоединенным к электродам пьезоэлемента. Внешняя сила сообщает пьезоэлементу энергию в виде упругой деформации, которая может быть рассчитана, если известны величины воздействующей силы и жёсткость пьезоэлемента. Одновременно с деформацией пьезоэлемента на его электродах возникает электрическое напряжение. Следовательно, часть энергии, сообщаемой пьезоэлементу внешней силой, оказывается электрической и её величина может быть рассчитана, если известны электрическое напряжение на электродах и ёмкость пьезоэлемента.

Внешняя механическая сила, воздействующая на пьезоэлемент, сообщает последнему энергию W₀ в виде энергии упругой деформации и энергии заряда ёмкости пьезоэлемента. Если обозначить энергию упругой деформации пьезоэлемента через Wм, а электрическую энергию заряда его ёмкости через Wэ, то полная энергия W₀, сообщенная пьезоэлементу, будет равна их сумме. Как во всяком обратимом преобразователе, при этом возникает обратное действие (пьезоэлектрическая реакция), заключающееся в том, что возникшее вследствие прямого пьезоэффекта электрическое напряжение создаёт (уже в результате обратного пьезоэффекта) механические напряжения и деформации, противодействующие внешним силам. Это проявляется в увеличении жесткости пьезоэлемента. Если электрическое напряжение, возникающее вследствие пьезоэффекта, исключить, например, закоротив электроды пьезоэлемента, то обратного пьезоэлектрического действия наблюдаться не будет, следовательно, должно произойти уменьшение жесткости пьезоэлемента.

Подобные же рассуждения можно сделать и для случая обратного пьезоэффекта, т. е. воздействия на пьезоэлемент внешней электрической силы. При этом внешний источник электрической энергии сообщает пьезоэлементу энергию в виде энергии заряда ёмкости пьезоэлемента и механической энергии его упругой деформации. Здесь также имеет место обратное действие. Если воспрепятствовать деформации жестким зажатием пьезоэлемента, то можно обнаружить изменение его ёмкости. Этот факт легко наблюдается у сильных пьезоэлектриков, для слабых же, таких как кварц, изменение ёмкости невелико (около 1%). К этому выводу легко прийти, приняв во внимание термодинамические соображения. Из теории пьезоэлектричества известно, что упругие коэффициенты пьезоэлектриков зависят от электрических условий, как и их коэффициенты диэлектрических проницаемостей зависят от механических условий. Это естественно, так как пьезоэлектричество по определению предполагает наличие связи между упругими и диэлектрическими свойствами. Поэтому описание пьезоэлектрических свойств материала невозможно без привлечения упругих и диэлектрических коэффициентов с указанием граничных механических и электрических условий.

Более полно пьезоэффект характеризует энергетический коэффициент и, называемый коэффициентом электромеханической связи (ЭМС) и определяемый отношением k = Wэ / W₀ = Wм / W₀, где W₀ — вся приложенная к пьезоэлементу энергия, а Wэ и Wм — преобразованная (электрическая и механическая) энергия. Коэффициент ЭМС оказывается очень полезным для сравнения пьезоэлектриков, пьезоэлектрические, упругие и диэлектрические коэффициенты которых могут сущевенно различаться. Этот коэффициент различен для статического и динамического режимов преобразования, в последнем случае он зависит также от вида и моды колебания. Коэффициент ЭМС, как и пьезоэлектрические модули, зависит от направления воздействующих сил относительно кристаллографических осей кристалла. Он определяет такую существенную характеристику резонатора, как относительная ширина резонансной кривой. Чем больше коэффициент ЭМС, тем больше относительная ширина резонансной кривой. Преобразование энергии пьезоэлектрическим элементом не можт быть полным, поэтому коэффициент ЭМС не бывает больше 1. Для так называемых слабых пьезоэлектриков, к которым принадлежат кварц, коэффициент ЭМС не превышает нескольких процентов, для сильных пьезоэлектриков, таких как сегнетова соль или пьезокерамика, он может достигать 50 …90%.

Пьезоэлемент: применение и принцип работы

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

Физические свойства пьезоэлемента

Пьезоэлектрические материалы по своей сути довольно простые и характеризуются всего лишь двумя физическими величинами – диэлектрической проницаемостью и пьезоэлектрическим модулем. От первой величины зависит емкость пьезоэлемента, а от пьезоэлектрического модуля – электрический заряд, образующийся на электродах, после того как к ним была приложена какая-то сила.

В пьезокерамике для описания процесса применяется три модуля в зависимости от расположения силы, действующей по отношению к полярности оси пьезоэлемента.

Наиболее выраженный эффект проявляется в модуле d₃₃, в котором первая цифра индекса означает направление полярной оси вдоль оси Z традиционной системы координат, а вторая указывает на направление действующей силы вдоль этой же оси. За счет этого пьезоэлемент с величиной модуля d₃₃ существенно превышает значение комбинаций с другими направлениями.

Прямой пьезоэффект модуля измеряется в единицах кулон/ньютон (К/Н). Именно эта величина характеризует материал, из которого он изготовлен. Независимо от приложенной силы и размеров самого элемента, при воздействии силы в 1 ньютон, на электродах будет образовываться один и тот же заряд.

Для определения напряжения на электродах существует формула: U = q/C, в которой в свою очередь q = F d₃₃. Из данной формулы видно, что в отличие от заряда, напряжение будет зависеть от размеров пьезоэлемента, поскольку емкость С связана с площадью электродов и расстоянием между ними. Если в качестве примера взять емкость обычной зажигалки, равной 40 пикофарадам (пф), то приложенная сила в 1 Н даст напряжение 6 В. Соответственно, если сила увеличится до 1000 Н (100 кг), то полученное напряжение составит уже 6 кВ.

Принцип работы

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

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

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

Применение

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

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

В перспективе возможно устройство более мощных энергодобывающих систем. В настоящее время разрабатываются генераторы, обладающие небольшими размерами, основой которых служит нитрид алюминия, успешно заменивший традиционный цирконат-титанат свинца. Данное устройство по своей сути является беспроводным температурным датчиком, способным накапливать энергию от различных вибраций и передавать полученные данные через установленные промежутки времени.

В настоящее время преобразователи на базе пьезоэлементов устанавливаются на реактивные самолеты. Данное техническое решение дает возможность экономии до 30% топливных ресурсов, используя колебания крыльев и самого фюзеляжа. Созданы экспериментальные светофоры, работающие от аккумуляторов, заряжающихся от колебаний воздуха, вызванных городским шумом.

В будущем эти разработки позволят ликвидировать дефицит мощностей. С помощью пьезоэлементов станет возможно получать электричество в результате движения автомобилей по специально оборудованным трассам. Даже десять километров такой пьезодороги выдадут около 5 МВт/час. Тротуары для пешеходов также внесут свой вклад в добычу электроэнергии. Данное направление очень интересное и перспективное, привлекающее внимание ученых многих стран.
https://www.youtube.com/watch?v=Kwyt618tbv0

БЕCКОРПУСНЫЕ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТЫ С ГИБКИМИ ВЫВОДАМИ ФИРМЫ «NINGBO EAST ELECTRONICS LIMITED»

Пьезоэлементы приводятся в действие подачей переменного напряжения заданной частоты и амплитуды.
Основной характер звучания — тон с частотой приложенного напряжения.
Последние цифры в наименовании модели (50, 100) — длина гибких выводов.

Обозначения параметров:

Fрез — диапазон резонансных частот (резонансная частота прибора), кГц
Cсоб — статическая емкость, пФ
Rэкв — резонансное сопротивление
D — максимальный диаметр, мм
H — максимальная высота, мм

Более подробную информацию можно посмотреть в каталоге PDF

Модель	Внешний вид	Fрез.,кГц	Ссоб ±30%, нФ	Габаритные размеры, мм		Rэкв (импеданс на частоте резонанса), Ом	Примечание
Модель	Внешний вид	Fрез.,кГц	Ссоб ±30%, нФ	D	H	Rэкв (импеданс на частоте резонанса), Ом	Примечание
FML-12T-9.2A1-50		9,2±0,6	10	12	0,2	500	длина вывода 50 мм
FML-13T-7.7A1-50		7,7±0,5	10	13	0,2	800
FML-15T-7.9A1-50		7,9±0,7	14	15	0,3	400	длина вывода 50 мм
FML-20T-4. 5A		4,5±0,4	24	20	0,3	500
FML-20T-4.5A1-100		4,5±0,4	24	20	0,3	500	длина вывода 100 мм
FML-20T-6.0A1-100		6,0±0,5	15	20	0,4	300	длина вывода 100 мм
FML-27T-3.9A1-100		3,9±0,3	23	27	0,48	200	длина вывода 100 мм
FML-31T-4.0		4,0±0,5	45	31	0,24	300
FML-31T-4.0A1-100		4,0±0,5	45	31	0,24	300	длина вывода 100 мм
FML-34.7T-2.9B1-L		2,9±0,3	24	34,7	0,55	250	Для работы в автоколебательном режиме, длина вывода L мм
FML-35T-3.0A1-100		3,0±0,4	32	35	0,6	200	длина вывода 100 мм
FML-41T-1. 0A1-100		1,0±0,5	66	41	0,25	1000	длина вывода 100 мм

Наименование
К продаже
Цена от

К продаже:

1 353 шт.

К продаже:

7 шт.

К продаже:

42 шт.

К продаже:

47 шт.

К продаже:

4 шт.

К продаже:

878 шт.

К продаже:

1 499 шт.

К продаже:

13 шт.

Производство электроэнергии от пьезоэлемента: 7 ступеней

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ PIEZO

Пьезоэлектрическая пластина — это устройство, которое использует пьезоэлектрический эффект для измерения давления, ускорения, деформации или силы путем преобразования их в электрический заряд. Пьезоэлектричество — это электричество, вырабатываемое пьезоэлементом в результате эффекта, называемого пьезоэлектрическим эффектом. Это способность определенных материалов генерировать переменное напряжение (переменный ток) при воздействии механического напряжения или вибрации, или вибрировать при воздействии переменного напряжения, или оба.Самый распространенный пьезоэлектрический материал — кварц. Определенная керамика, соли Рошеля и различные другие твердые вещества также проявляют этот эффект. Когда звуковая волна ударяется об одну или обе стороны пластин, пластины вибрируют. Кристалл улавливает эту вибрацию, которая преобразуется в слабое переменное напряжение. Следовательно, между двумя металлическими пластинами возникает переменное напряжение, форма волны которого аналогична звуковым волнам. И наоборот, если на пластины подается сигнал переменного тока, он заставляет кристалл вибрировать синхронно с сигнальным напряжением.В результате металлические пластины также вибрируют и создают акустические помехи.

УСИЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

В нашем проекте мы использовали корпус Villard Cased для преобразования переменного тока в постоянный и усиления напряжения. Мы выбрали каскад Виллара, потому что он выпрямляет и усиливает вход от источника одновременно с помощью диодов и конденсатор.

VILLARD CASCADE

Умножитель напряжения — это электрическая цепь, которая преобразует электрическую мощность переменного тока из более низкого напряжения в более высокое постоянное напряжение, обычно с использованием сети конденсаторов и диодов. Умножители напряжения могут использоваться для генерации от нескольких вольт для электронных приборов до миллионов вольт для таких целей, как эксперименты по физике высоких энергий и тестирование молниезащиты. Наиболее распространенный тип умножителя напряжения — это последовательный полуволновой умножитель, также называемый каскадом Виллара.

Пьезоэлектрический керамический элемент

Влияние входной частоты

При низких входных частотах соотношение между силой, приложенной к пьезоэлектрическому керамическому элементу, и электрическим полем или зарядом, создаваемым пьезоэлементом, составляет:

E = — (g ₃₃ T)
Q = — (d ₃₃ F)
где E: электрическое поле
g ₃₃: постоянная пьезоэлектрического напряжения
T: напряжение на керамическом элементе
Q: генерируемый заряд
d ₃₃: постоянная пьезоэлектрического заряда
F: приложенная сила

Соотношение между приложенным напряжением или электрическим полем и соответствующим увеличением или уменьшением толщины, длины или ширины пьезокерамического элемента составляет:
Δh = d ₃₃ V
S = d ₃₃ E
Δl / l = d ₃₁ E
Δw / w = d ₃₁ E
где l: начальная длина керамического элемента
w: начальная ширина керамического элемента
Δh: изменение высоты (толщины) керамического элемента
Δl: изменение длины керамического элемента
Δw: изменение ширины керамического элемента
d: постоянная пьезоэлектрического заряда
В: приложенное напряжение
S: деформация (изменение высоты / исходная высота элемента)
E: электрическое поле

Пьезоэлектрический керамический элемент, подверженный воздействию переменного электрического поля, циклически изменяет размеры с частотой поля. Частота, с которой элемент наиболее легко вибрирует в ответ на электрический ввод и наиболее эффективно преобразует подводимую электрическую энергию в механическую — резонансная частота — определяется составом керамического материала, а также формой и объем элемента.

По мере увеличения частоты циклирования колебания элемента сначала приближаются к частоте, при которой полное сопротивление минимально (максимальная проводимость). Эта частота также является резонансной частотой.При дальнейшем увеличении частоты полное сопротивление увеличивается до максимума (минимальная проводимость), что также является антирезонансной частотой . Эти частоты определяются экспериментально — чтобы узнать, как это сделать, обратитесь к разделу «Определение резонансной частоты».

Значения минимальной частоты импеданса и максимальной частоты импеданса можно использовать для расчета коэффициента электромеханической связи , k, показателя эффективности, с которой пьезоэлектрический материал преобразует электрическую энергию в механическую или механическую энергию в электрическую.k зависит от режима колебаний и формы керамического элемента. Диэлектрические потери и механические потери также влияют на эффективность преобразования энергии. Диэлектрические потери обычно более значительны, чем механические.

Стабильность — Большинство свойств пьезоэлектрического керамического элемента постепенно разрушаются в логарифмической зависимости со временем после поляризации. Точные скорости старения зависят от состава керамического элемента и производственного процесса, использованного для его изготовления.Неправильное обращение с элементом из-за превышения его электрических, механических или тепловых ограничений может ускорить этот врожденный процесс.

Электрические ограничения — Воздействие сильного электрического поля с полярностью, противоположной полярности поляризующего поля, деполяризует пьезоэлектрический материал. Степень деполяризации зависит от марки материала, времени воздействия, температуры и других факторов, но поля 200-500 В / мм или выше обычно имеют значительный деполяризующий эффект.Переменный ток будет иметь деполяризующий эффект в течение каждого полупериода, в котором полярность противоположна полярности поляризующего поля.
Механические ограничения Механическое напряжение, достаточное для нарушения ориентации доменов в пьезоэлектрическом материале, может нарушить выравнивание диполей. Как и подверженность электрической деполяризации, способность выдерживать механическое напряжение различается для разных марок и марок пьезоэлектрических материалов.

Температурные ограничения — Если пьезоэлектрический керамический материал нагреть до точки Кюри, домены станут неупорядоченными, и материал будет деполяризован.Рекомендуемая верхняя рабочая температура для керамики обычно находится примерно на полпути между ° C и точкой Кюри. В пределах рекомендуемого диапазона рабочих температур связанные с температурой изменения ориентации доменов обратимы. С другой стороны, эти изменения могут создавать смещения зарядов и электрические поля. Кроме того, резкие колебания температуры могут вызвать относительно высокие напряжения, способные деполяризовать керамический элемент. В систему можно включить конденсатор для приема избыточной электроэнергии.

Для конкретного керамического материала постоянная пироэлектрического заряда — изменение полярности при заданном изменении температуры — и постоянная напряженности пироэлектрического поля — изменение электрического поля при заданном изменении температуры — являются индикаторами уязвимость материала к пироэлектрическим эффектам. Высокое отношение постоянной пьезоэлектрического заряда: отношение постоянной пироэлектрического заряда или отношение постоянной пьезоэлектрического напряжения к постоянной напряженности пироэлектрического поля указывает на хорошую стойкость к пироэлектрическим эффектам.

общих форм и размеров | Пользовательские пьезоэлектрические элементы

Общие формы и размеры пьезоэлектрических элементов

Пьезоэлектрические керамические формы и размеры

Используя технологию ЧПУ, APC International может производить пьезоэлектрические керамические элементы самых разных форм и размеров. APC International чаще всего производит пьезоэлектрические диски, пьезокольца, пьезопластины и пьезотрубки (цилиндры).Хотя это наиболее распространенные формы керамических кристаллов, изготавливаемые в нашем механическом цехе, у нас также есть большой опыт изготовления полусфер, трапеций, вогнутых линз и других форм, указанных заказчиком. Если вы не видите на этой странице нужные фигуры, свяжитесь с нами для получения дополнительной информации. Мы можем работать с вами, чтобы создать для вас правильную форму и размер.

Мы создали эту страницу, чтобы предоставить нашим клиентам некоторую информацию о наиболее распространенных керамических формах, производимых APC International.Керамические элементы, перечисленные на этой странице, обычно могут быть доставлены в более короткие сроки, чем другие керамические элементы, производимые APC International. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы быстро выполнить ваш заказ!

Производственные возможности

APC International выходят далеко за рамки перечисленного ниже, и мы часто производим керамические элементы большего, меньшего, более толстого и тонкого размера для наших клиентов. Чтобы узнать о полном спектре наших производственных возможностей, свяжитесь с вашим международным представителем APC.

Будьте уверены, что независимо от формы и размера пьезокерамики, которая вам нужна, если вы выберете APC International в качестве поставщика, качество будет гарантировано.

Чтобы запросить ценовое предложение или узнать о возможностях производства пьезоэлектрических элементов APC International по индивидуальному заказу, свяжитесь с вашим международным представителем APC. Мы рады помочь вам со стандартными заказами и индивидуальными запросами.

Пьезоэлектрические керамические кристаллы: общие формы и размеры

Пьезодиски

Внешний диаметр пьезодиска: 0.250–2000 дюймов
Толщина пьезодиска: 0,008–0,400 дюймов в зависимости от материала

Пьезо-кольца

Внешний диаметр пьезокольца: 0,250–2000 дюймов
Внутренний диаметр пьезокольца: 0,070–0,750 дюйма в зависимости от наружного диаметра и толщины
Толщина пьезокольца: 0,008–0,400 дюйма в зависимости от материала

Пьезопластины

Длина пьезопластины: 0,080–1,900 дюйма
Ширина пьезопластины: 0,080–1,900 дюйма
Толщина пьезопластины: 0.008–0,40 дюйма в зависимости от материала, длины и ширины

Пьезоцилиндры

Внешний диаметр пьезоцилиндра: 0,350–0,900 дюйма
Длина пьезоцилиндра: 0,150–0,450 дюйма
Толщина стенки пьезоцилиндра: минимум 0,040 дюйма

Обратите внимание, что из-за производственных ограничений доступны не все возможные комбинации размеров, указанные выше.

Полировка пьезокерамики в стандартном и сдвиговом режимах

Стандартная пьезокерамика APC имеет поляризацию по толщине и электроды на положительную и отрицательную поверхности.APC также поставляет пьезокерамику, поляризованную в режиме сдвига. APC предлагает линейку стандартных пьезопластин размером 15 мм x 15 мм x 1 мм. В дополнение к стандартной линейке срезных пластин APC мы можем изготовить на заказ пластины и полукольца, работающие на срез. Керамика, работающая в режиме сдвига, обеспечивает большую чувствительность и смещение, чем пьезоэлектрическая керамика с поляризацией и электродом в режиме толщины.

Что такое пьезоэлектрические материалы? | Sciencing

Обновлено 28 декабря 2020 г.

Автор: Francine Mends

Если вы когда-либо пользовались зажигалкой, проходили медицинское ультразвуковое исследование в кабинете врача или включали газовую горелку, вы использовали пьезоэлектричество.

Пьезоэлектрические материалы — это материалы, которые обладают способностью генерировать внутренний электрический заряд от приложенного механического напряжения. Термин пьезо в переводе с греческого означает «толкать».»

Некоторые природные вещества демонстрируют пьезоэлектрический эффект. К ним относятся:

Кость
Кристаллы
Определенная керамика
ДНК
Эмаль
Шелк

Дентин и многие другие. демонстрируют пьезоэлектрический эффект также демонстрируют обратный пьезоэлектрический эффект (также называемый обратным или обратным пьезоэлектрическим эффектом) .Инверсный пьезоэлектрический эффект представляет собой внутреннюю генерацию механической деформации в ответ на приложенное электрическое поле.

История пьезоэлектрических материалов

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

Они измерили поверхностные заряды следующих конкретных кристаллов:

Тростниковый сахар
Турмалин
Кварц
Топаз
Рошельская соль (тетрагидрат тартрата натрия и калия)

Кварц и Рошеллеэлектрическая соль продемонстрировали самые высокие пьезоэлектрические эффекты. .

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

К 1910 году 20 классов природных кристаллов, в которых возникает пьезоэлектричество, были полностью определены и опубликованы в книге Вольдемара Фойгта Lehrbuch Der Kristallphysik .Но это оставалось малоизвестной и высокотехнологичной нишевой областью физики без видимых технологических или коммерческих приложений.

Первая мировая война: Первым технологическим применением пьезоэлектрического материала был ультразвуковой подводный детектор, созданный во время Первой мировой войны. Детекторная пластина была сделана из преобразователя (устройства, которое преобразует один тип энергии в другой) и тип детектора, называемый гидрофоном. Преобразователь был изготовлен из тонких кристаллов кварца, вклеенных между двумя стальными пластинами.

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

Вторая мировая война: Применение пьезоэлектрических материалов значительно продвинулось во время Второй мировой войны благодаря независимым исследованиям, проведенным Японией, СССР и США.

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

Эта разработка позволила создать множество связанных с войной применений пьезоэлектрических материалов, таких как сверхчувствительные микрофоны, мощные гидроакустические устройства, гидроакустические буи (небольшие буи с гидрофоном для прослушивания и радиопередачей для отслеживания движения океанских судов) и системы пьезозажигания для одноцилиндровых двигателей. возгораний.

Механизм пьезоэлектричества

Как упоминалось выше, пьезоэлектричество — это свойство вещества генерировать электричество, если к нему приложено напряжение, такое как сжатие, изгиб или скручивание.

При воздействии напряжения пьезоэлектрический кристалл создает поляризацию P , пропорциональную создаваемому напряжению.

Основное уравнение пьезоэлектричества :

P = d \ times \ text {stress}

, где d — пьезоэлектрический коэффициент, коэффициент, уникальный для каждого типа пьезоэлектрического материала.Пьезоэлектрический коэффициент для кварца составляет 3 × 10 ^-12. Пьезоэлектрический коэффициент для цирконата-титаната свинца (PZT) составляет 3 × 10 ^-10.

Небольшие смещения ионов в кристаллической решетке создают поляризацию, наблюдаемую в пьезоэлектричестве. Это происходит только в кристаллах, не имеющих центра симметрии.

Пьезоэлектрические кристаллы: список

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

Кристаллы естественного происхождения:

Кварц. Стабильный кристалл, используемый в кристаллах часов и кристаллах эталона частоты для радиопередатчиков.
Сахароза (столовый сахар)
Рошельская соль. Выдает большое напряжение со сжатием; использовался в ранних кристальных микрофонах.
Топаз
Турмалин
Берлинит (AlPO ₄).Редкий фосфатный минерал, структурно идентичный кварцу.

Ортофосфат галлия (GaPO ₄), аналог кварца.
Лангасит (La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄), кварцевый аналог.

Пьезоэлектрическая керамика:

Титанат бария (BaTiO ₃). Открыта первая пьезоэлектрическая керамика.
Титанат свинца (PbTiO ₃)
Цирконат титанат свинца (PZT).В настоящее время наиболее часто используется пьезоэлектрическая керамика.
Ниобат калия (KNbO ₃)
Ниобат лития (LiNbO ₃)
Танталат лития (LiTaO ₃)

Вольфрамат натрия (Na _{20 WO
₄) Свинец -без пьезокерамики:
Следующие материалы были разработаны в ответ на опасения по поводу вредного воздействия свинца на окружающую среду.
Ниобат натрия-калия (NaKNb).Этот материал имеет свойства, аналогичные PZT.
Феррит висмута (BiFeO ₃)
Ниобат натрия (NaNbO ₃)
Биологические пьезоэлектрические материалы:
Сухожилие
Древесина
Коллаген
Шелк
Шелк
Шелк
Шелк
Пьезоэлектрические полимеры: Пьезополимеры легкие и небольшие по размеру, поэтому их популярность для технологических применений растет.
Поливинилиденфторид (ПВДФ) демонстрирует пьезоэлектричество, которое в несколько раз больше, чем у кварца. Он часто используется в медицине, например, для наложения швов и медицинского текстиля.
Применение пьезоэлектрических материалов
Пьезоэлектрические материалы используются в различных отраслях, в том числе:
Производство
Медицинские приборы
Телекоммуникации
Автомобильная промышленность
Информационные технологии (ИТ)
9 -0002 Мощность источники:
Зажигалки электрические.Когда вы нажимаете кнопку на зажигалке, кнопка заставляет небольшой подпружиненный молоток ударять по пьезоэлектрическому кристаллу, создавая ток высокого напряжения, который течет через зазор для нагрева и воспламенения газа.
Газовые грили или плиты и газовые горелки. Они работают так же, как и зажигалки, но в большем масштабе.
Пьезоэлектрический преобразователь. Он используется в качестве умножителя переменного напряжения в люминесцентных лампах с холодным катодом.
Пьезоэлектрические датчики
Ультразвуковые преобразователи используются в повседневной медицинской визуализации.Преобразователь представляет собой пьезоэлектрическое устройство, которое действует как датчик и как исполнительный механизм. Ультразвуковые преобразователи содержат пьезоэлектрический элемент, который преобразует электрический сигнал в механическую вибрацию (режим передачи или компонент исполнительного механизма) и механическую вибрацию в электрический сигнал (режим приема или компонент датчика).
Пьезоэлектрический элемент обычно обрезается на 1/2 длины волны от желаемой длины волны ультразвукового преобразователя.
К другим типам пьезоэлектрических датчиков относятся:
Пьезоэлектрические микрофоны.
Пьезоэлектрические звукосниматели для электроакустических гитар.
Волны сонара. Звуковые волны генерируются и воспринимаются пьезоэлектрическим элементом.
Электронные барабанные пэды. Элементы обнаруживают удар палочек барабанщиков о пэды.
Медицинская акселеромиография. Это используется, когда человек находится под наркозом и ему вводят миорелаксанты. Пьезоэлектрический элемент в акселеромиографе определяет силу, возникающую в мышце после нервной стимуляции.
Пьезоэлектрические приводы
Одно из преимуществ пьезоэлектрических приводов состоит в том, что высокое напряжение электрического поля соответствует крошечным микрометровым изменениям ширины пьезоэлектрического кристалла. Эти микромассы делают пьезоэлектрические кристаллы полезными в качестве приводов, когда требуется точное позиционирование крошечных объектов, например, в следующих устройствах:
Громкоговорители
Пьезоэлектрические двигатели
Лазерная электроника
Струйные принтеры (кристаллы управляют выбросом чернил от печатающей головки на бумагу)
Дизельные двигатели
Рентгеновские заслонки
Умные материалы
Умные материалы — это широкий класс материалов, свойства которых могут быть изменены контролируемым способом под воздействием внешнего воздействия, такого как pH, температура, химические вещества, приложенное магнитное или электрическое поле или напряжение. Умные материалы также называют интеллектуальными функциональными материалами.
Пьезоэлектрические материалы соответствуют этому определению, потому что приложенное напряжение создает напряжение в пьезоэлектрическом материале, и, наоборот, приложение внешнего напряжения также производит электричество в материале.
Дополнительные интеллектуальные материалы включают сплавы с памятью формы, галохромные материалы, магнитокалорические материалы, термочувствительные полимеры, фотоэлектрические материалы и многие, многие другие.
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. Вкратце:
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 )
Существуют 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
Существует множество пьезоэлектрических материалов, 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:
Пьезоэлектрический кристалл помещен между двумя металлическими пластинами.На этом этапе материал находится в идеальном балансе и не проводит электрический ток.
Затем к материалу прикладывается механическое давление металлическими пластинами, которое нарушает баланс электрических зарядов внутри кристалла. На противоположных сторонах грани кристалла появляются избыточные отрицательные и положительные заряды.
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:
В той же ситуации, что и в примере выше, у нас есть пьезоэлектрический кристалл, расположенный между двумя металлическими пластинами. Структура кристалла идеально сбалансирована.
Затем к кристаллу прикладывается электрическая энергия, которая сжимается и расширяет структуру кристалла.
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 воздух 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 подключения напряжения к пьезоэлектрическому передатчику. 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 устройствах:
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 обработки изображений. 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 используется в больших 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. Эта энергия затем может быть использована световыми сигналами стоп-сигнала и другими находящимися поблизости устройствами. 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 регулярное 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
назад 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, которые
держите их вместе), что-то вроде рамы для лазанья.Теперь кристаллами,
ученые не обязательно имеют в виду интригующие кусочки 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.
Иллюстрация: 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 к «электрическому давлению».»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 в моем стационарном телефоне: 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 сбор 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, конечно, 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.
Нельзя сказать, что сбор энергии не имеет места; он может быть действительно полезен 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 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.
Основы пьезо | CTS
Это руководство представляет собой введение в основы пьезоэлектричества. Это включает введение в природу пьезоэлектричества и описание двух основных семейств пьезокерамических материалов (твердолегированных и мягколегированных). В этом руководстве вы также познакомитесь с основными уравнениями, а также со свойствами пьезокерамического материала в сильном поле.Вы также найдете описание тепловых свойств пьезокерамического материала, а также обзор, который поможет вам выбрать керамический материал.
Природа пьезоэлектричества
Пьезоэлектрический эффект был открыт Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. Первым наблюдением было появление диэлектрического заряда на кристалле, пропорционального приложенному механическому напряжению. Вскоре после этого был обнаружен обратный эффект — геометрическая деформация кристалла, пропорциональная приложенному электрическому полю.
Основы пьезоэлектрических материалов
Пьезоэлектричество — это свойство некоторых материалов накапливать электрический заряд на своей поверхности, когда на них действует механическое напряжение. Приложенное электрическое поле вызывает в этих материалах линейно пропорциональную деформацию. Электрический отклик на механическую стимуляцию называется прямым пьезоэлектрическим эффектом, а механический отклик на электрическое моделирование — обратным пьезоэлектрическим эффектом.
Различные пьезоэлектрические материалы
Пьезоэлектрический эффект проявляется в большинстве материалов с нецентросимметричной кристаллической структурой.Некоторые встречающиеся в природе кристаллические материалы, обладающие этими свойствами, — это кварц и турмалин. Некоторые искусственно созданные пьезоэлектрические кристаллы представляют собой соль Рошеля, дигидрофосфат аммония и сульфат лития. Другой класс материалов, обладающих такими свойствами, — это пьезокерамика.
В отличие от пьезоэлектрических кристаллов, встречающихся в природе, пьезокерамика имеет «поликристаллическую» структуру. Наиболее часто производимая пьезокерамика — это цирконат-титанат свинца (PZT), титанат бария и титанат свинца.Поликристаллические керамические материалы имеют ряд преимуществ перед монокристаллическими пьезоэлектрическими материалами, включая простоту изготовления и формовки различных форм и размеров. Напротив, монокристаллы необходимо разрезать по определенным кристаллографическим направлениям, ограничивая возможные геометрические формы, но предлагая превосходные пьезоэлектрические свойства, за исключением температур Кюри и фазовых переходов.
Загрузите наш список пьезоэлектрических материалов CTS
Кристаллическая структура PZT
Кристаллическая структура PZT
PZT имеет кристаллическую структуру, принадлежащую к семейству перовскитов с общей формулой AB0 ₃.На следующем рисунке показана идеальная кубическая структура перовскита. Кристаллиты PZT являются центросимметричными кубическими (изотропными) выше температуры Кюри и демонстрируют тетрагональную симметрию (анизотропную структуру) ниже температуры Кюри.
Процесс опроса
Пьезоэлектрическая керамика состоит из зерен (кристаллитов), каждое из которых содержит домены, которые до полирования ориентированы случайным образом, как показано на левом рисунке ниже. В результате чистая поляризация материала равна нулю, и поэтому керамика не проявляет пьезоэлектрических свойств.Во время процесса полирования прикладывается соответствующее электрическое поле постоянного тока, и это приложенное электрическое поле ориентирует домены в направлении электрического поля (как показано на среднем рисунке ниже) и приводит к остаточной поляризации материала (как показано на правом рисунке ниже). .
Процесс опроса PZT
Твердый и мягкий пьезокерамический материал
Несмотря на то, что сегодня доступно несколько типов пьезоэлектрических керамических материалов, большинство из них можно отнести к одной из двух общих категорий: «твердые» или «мягкие» материалы PZT.Структура перовскита очень устойчива к замещению элементов (легированию) — поэтому используются термины «жесткий» и «мягкий». Даже небольшое количество легирующей примеси (~ 1%) может вызвать существенные изменения свойств материала.
Характеристики твердого пьезокерамического материала
Твердая пьезокерамика имеет более высокую механическую добротность и подходит для динамических / резонансных применений. Поскольку более высокий механический коэффициент качества обеспечивает более эффективное преобразование энергии (из электрической в рабочую), твердые материалы могут выдерживать высокий уровень электрического возбуждения и механических нагрузок, выделяют меньше тепла во время этого процесса и их нелегко полюсить или удалить, кроме как при повышенной температуре.По сравнению с мягкими пьезоэлектрическими материалами твердые пьезоэлектрические материалы не подвержены деформации из-за более низких коэффициентов d.
Характеристики мягкого пьезокерамического материала
Мягкая пьезокерамика имеет более высокие пьезоэлектрические коэффициенты по сравнению с твердой пьезокерамикой за счет добротности. Мягкая пьезокерамика также обеспечивает более высокую чувствительность и диэлектрическую проницаемость и хорошо подходит для статических или полустатических приложений, где требуется большая деформация.Мягкая пьезокерамика при работе в динамическом режиме в сильном поле страдает высокими диэлектрическими потерями и низкими показателями качества, что может привести к перегреву в течение длительного периода эксплуатации.
Ниже приведено сравнение характеристик твердого и мягкого легированного пьезокерамического материала.
Тип керамики Мягкий пьезокерамический материал Твердый пьезокерамический материал
Пьезоконстанты
(деформация в статике) Высокая Низкий
Диэлектрическая проницаемость
(емкость) Высокая Низкий
Диэлектрические потери
(самонагрев) Высокая Низкий
Коэрцитивное поле
(деполяризация) Низкий Высокая
Факторы качества
(деформация при резонансе) Низкий Высокая
Основные уравнения
Из-за анизотропной природы пьезокерамики свойства меняются в зависимости от направления.Для определения направлений в пьезоэлектрическом керамическом элементе используется определенная система координат. Определены три оси, обозначенные 1, 2 и 3, аналогично X, Y и Z классического трехмерного ортогонального набора осей.
Пьезоэлектрические коэффициенты и направления
Полярная или 3-х осевая определяется направлением опроса. Если компонент не должен использоваться в режиме сдвига, электрическое поле прикладывается в направлении 3. Направления 1 и 2 физически эквивалентны, поэтому их можно определять произвольно, перпендикулярно направлению 3 и друг другу.Направления, обозначенные 4, 5 и 6, соответствуют наклонным (касательным) движениям вокруг осей 1, 2 и 3 соответственно.
В режиме сдвига, после полирования, электроды снимаются и повторно размещаются перпендикулярно оси 1. В этом случае при приложении электрического поля компонент сдвигается в одном измерении без каких-либо изменений в других измерениях.
Пьезоэлектрические материалы можно характеризовать несколькими коэффициентами. Пьезоэлектрические коэффициенты с двойными индексами связывают электрические и механические величины.Первый индекс указывает направление электрического поля или производимого диэлектрического заряда. Второй индекс указывает направление механического напряжения или деформации.
Пьезоэлектрические постоянные, относящиеся к механической деформации, создаваемой приложенным электрическим полем, называются константами пьезоэлектрической деформации или коэффициентами «d». Они выражаются в метрах на вольт [м / В]. И наоборот, эти коэффициенты, которые также называют константами пьезоэлектрического заряда, можно рассматривать как связывающие заряд, накопленный на электродах, с приложенным механическим напряжением.Таким образом, единицы измерения также могут быть выражены в кулонах на ньютон [C / N].
Кроме того, некоторые константы пьезоэлектрического материала могут быть записаны с «надстрочным индексом», который указывает либо механическое, либо электрическое граничное условие. Верхние индексы — T, E, D и S, означающие:
. T = постоянное напряжение = не механически
E = постоянное поле = короткое замыкание
D = постоянное электрическое смещение = обрыв цепи
S = постоянная деформация = механический зажим
Вот три примера параметров, используемых в пьезоэлектрических уравнениях, вместе с объяснением их обозначений:
Основные пьезоэлектрические уравнения
Существуют разные способы записи основных уравнений пьезоэлектрических материалов в зависимости от того, какие переменные представляют интерес.Две наиболее распространенные формы (верхний индекс t означает транспонирование матрицы):
Эти матричные отношения широко используются для моделирования методом конечных элементов. Для аналитических подходов, как правило, полезны только некоторые из соотношений, поэтому проблему можно еще больше упростить. Например, это соотношение, извлеченное из строки 3 первого матричного уравнения, описывает деформацию в направлении 3 как функцию напряжения и поля.
Как и любой другой эластичный материал, деформация пропорциональна приложенному напряжению.Но в дополнение к пьезоэлектрическим материалам присутствует дополнительный пьезоэлектрический член, который также связывает деформацию с электрическим полем.
Ограничения линейных определяющих уравнений
Есть ряд ограничений линейных материальных уравнений. Пьезоэлектрический эффект на самом деле нелинейный по своей природе из-за гистерезиса и ползучести.
Кроме того, динамика материала не описывается линейными материальными уравнениями. Пьезоэлектрические коэффициенты зависят от температуры.Пьезоэлектрические коэффициенты сильно зависят от электрического поля.
Свойства пьезокерамического материала в сильном поле
Пьезоэлектрические материалы проявляют нелинейность, гистерезис и ползучесть. В этом разделе представлены типичные данные о материалах, чтобы понять и компенсировать эти эффекты.
Линейность: приводы (индивидуальные и многоуровневые) и гибочные машины
Зависимость хода от приложенного напряжения для пьезоэлектрических приводов не является абсолютно линейной, как предсказывают пьезоэлектрические уравнения.Типичные характеристики показаны на следующих рисунках. Как можно видеть, кривая растяжения в зависимости от напряжения на самом деле имеет слегка S-образную форму. При низком напряжении кривая увеличения напряжения вогнутая вверх, а форма близка к квадратичной.
В приведенном ниже примере показано смещение во время зарядки привода с использованием пьезоэлектрического материала NCE57. Кривые с более высоким разрешением можно найти в разделе «гистерезис». Нелинейность означает, что ход при 1 кВ / мм меньше, чем ожидалось из линейной экстраполяции с использованием хода при максимальном рекомендованном поле (что соответствует 3 кВ / мм).
Нелинейность для NCE51
Характеристики материала с очень высоким электрическим полем: приводы (индивидуальные и многослойные) и гибочные машины
В некоторых приложениях желательно сохранять максимальную деформацию пьезоэлемента только путем приложения очень сильного электрического поля. В некоторых случаях может быть превышена максимальная рекомендуемая напряженность поля 3 кВ / мм, например для краткосрочного использования или статических приложений. Обычно приемлемо рабочее поле 4 кВ / мм, однако рекомендуется тестирование.
На рисунке ниже показано, как напряжение изменяется с электрическим полем для наших различных материалов до максимальной напряженности электрического поля 9 кВ / мм. Недостатком приложения очень сильного электрического поля является резкое сокращение срока службы привода.
Данные на рисунке носят исключительно информативный характер, и мы рекомендуем связаться с нашим отделом НИОКР перед проектированием приводов, работающих в очень сильном электрическом поле.
Зависимость деформации от электрического поля для пьезоэлектрических материалов NCE46, NCE51F, NCE57 и NCE59
Линейность: срезные пластины
Зависимость между размахом хода и пиковым приложенным напряжением для срезных пластин не является линейной.Типичные размеры показаны на следующем рисунке. Как можно видеть, смещение увеличивается, когда привод используется близко к максимальному рекомендованному напряжению.
Полиномиальный тренд следует экспериментальному соотношению. Где d — смещение, t — высота привода, а E — приложенное электрическое поле (напряжение / высота):
Гистерезис: приводы (индивидуальные и многоуровневые) и гибочные машины
Все пьезоэлектрические материалы демонстрируют механический гистерезис, поскольку напряжение не следует по одной и той же дорожке при зарядке и разрядке.Гистерезис выражается как максимальная разница между двумя дорожками, деленная на максимальную деформацию, как показано на рисунке ниже. Гистерезис имеет тенденцию уменьшаться с возрастом. Если гистерезис является проблемой для конкретного приложения, обычно используют компенсацию на основе модели или петлю обратной связи для ее компенсации. Сигнал обратной связи может быть положительным, силовым или диэлектрическим.
Рисунок, показывающий принципиальную взаимосвязь между деформацией и напряженностью электрического поля
Взаимосвязь для четырех различных материалов
Гистерезис зависит от типа керамики и амплитуды входного сигнала и может варьироваться от 13% до 20%.
Материал Гистерезис (%)
NCE46 20
NCE51 / 51F 19
NCE57 19
NCE59 13
На приводах гибки присутствует такой же гистерезис. Однако из-за двухтактной конфигурации он имеет симметричную форму.
Гистерезис: срезные пластины
Из-за своей высокой нелинейности срезные пластины имеют гораздо более высокий гистерезис, чем приводы других типов.Гистерезис при полной амплитуде напряжения составляет порядка 35%. Уменьшение амплитуды напряжения уменьшит гистерезис.
Смещение в зависимости от напряжения для срезной пластины
Работа при обратном смещении: приводы (индивидуальные и многослойные) и гибочные машины
В дополнение к нормальной кривой гистерезиса AB, когда приложенное напряжение положительно, диаграмма «бабочка» CDEFG определяет поведение материала через полный цикл положительных и отрицательных рабочих электрических полей.Отрицательные электрические поля создают отрицательную деформацию вдоль кривой C до тех пор, пока поле деполирования (коэрцитивное поле) не становится положительным, следуя кривой D. Процесс повторяется вдоль кривых EFG, когда электрическое поле снова становится положительным. Диаграмма «бабочка» дает полную характеристику процесса деполирования и реполинга.
Большинство твердых пьезоэлектрических материалов могут быть полностью поляризованы или сняты только при повышенных температурах, поэтому после полюса они могут без труда выдерживать сильные обратные поля.
Мы не рекомендуем работу в обратном поле для квазистатических приводов. Однако в некоторых случаях это может вызвать дополнительную нагрузку. К недостаткам можно отнести меньшую линейность, повышенный гистерезис и потери. Кроме того, необходимо контролировать температуру, поскольку коэрцитивное поле изменяется в зависимости от температуры (см. «Тепловые свойства»).
Мягкие пьезоэлектрические материалы легко снимаются под действием электрического поля, противоположного направлению поляризации. Эффект чередования положительных и отрицательных напряжений для различных пьезоэлектрических материалов показан на следующих рисунках:
Принцип деформации vs.электрическое поле
Зависимость деформации от электрического поля для NCE46
Зависимость деформации от электрического поля для NCE51
Зависимость деформации от электрического поля для NCE57
Зависимость деформации от электрического поля для NCE59
Ползучесть
Пьезоэлектрические материалы проявляют эффект ползучести, то есть материал продолжает расширяться в течение некоторого времени при приложении напряжения. Соответственно, материал не сразу возвращается к исходному уровню деформации после возврата к 0 В. Во время ползучести материал продолжает накапливать заряд на очень низком уровне.Эффект ползучести для различных материалов привода сравнивается на следующем рисунке, где максимальное электрическое поле устанавливается через 1 с, что соответствует базовой линии смещения (относительное смещение = 1).
Ползучесть всегда происходит в том же направлении, что и изменение размеров, вызванное скачком напряжения. Эффект является логарифмическим, поэтому дополнительное расширение между 10 и 100 будет аналогично расширению, полученному между 1 и 10. Для линейных / многоярусных приводов типичные значения составляют 4% за декаду при использовании пьезоэлектрического материала NCE51 / 51F и 9% за декаду при использовании NCE46.Для гибочных приводов значения в 2-3 раза выше. Ползучесть связана с долгосрочным средним значением, которое привод испытывал за свой срок службы.
Ползучесть для NCE46, NCE51, NCE57 и NCE59
Тепловые свойства пьезокерамического материала
На электрические и пьезоэлектрические свойства влияют колебания температуры. На каждый пьезоэлектрический материал по-разному влияют изменения температуры в зависимости от способа производства и химического состава материала.
Максимальная температура
Пьезоэлектрические материалы следует использовать при температуре ниже Кюри, чтобы избежать деполирования. Эмпирическое правило — половина температуры Кюри. Если температура повысится до температуры, близкой к температуре Кюри или выше, это приведет к частичному или полному обезвоживанию пьезоэлектрического материала и серьезному ухудшению характеристик. Для приложений, требующих работы при повышенной температуре, следует выбирать материал с достаточно высокой температурой Кюри.Максимальные рекомендуемые рабочие температуры указаны для каждого продукта. Важно контролировать температуру, особенно для динамических приложений, где компонент может нагреваться во время работы из-за внутреннего рассеивания.
Минимальная температура
Наши многослойные изделия могут использоваться при криогенных температурах и были продемонстрированы до 4 мК. Для этих применений требуется специальная подготовка (проволока, клей и т. Д.).
Механические и электрические свойства пьезокерамики значительно ухудшаются при криогенных температурах.Когда пьезоэлектрические приводы охлаждаются до криогенных температур, пьезокерамика ведет себя как очень твердый пьезоэлектрический материал с такими характеристиками:
Сильное уменьшение электрической емкости
Снижение коэффициента потерь
Приведенные коэффициенты деформации d33 и d31
Значительное улучшение коэрцитивного поля.
Улучшение коэрцитивного поля при низкой температуре позволяет пьезоэлектрическому актуатору стать чрезвычайно устойчивым к электрическому деполу.Следовательно, возможен гораздо более широкий биполярный режим по сравнению с комнатной температурой. Таким образом, падение коэффициента деформации при низких температурах можно частично компенсировать.
Ниже приведен пример криогенных измерений при двух разных температурах, показывающий взаимосвязь между ходом (смещением) и напряжением. Как видно, ход при 77 К уменьшается примерно вдвое от значения при комнатной температуре. Из-за сильного увеличения коэрцитивного поля можно также наблюдать, что исполнительный механизм демонстрирует довольно линейную характеристику смещения напряжения при отрицательном напряжении.Пьезоэлектрический привод становится чрезвычайно устойчивым к электрическому срыву, а потеря хода при низкой температуре может быть частично компенсирована за счет использования широкого биполярного режима.
Более проблематичным параметром является коэффициент теплового расширения керамики, который необходимо учитывать при проектировании устройств, в которых пьезоэлектрические приводы будут частью композитной конструкции, а другие элементы конструкции, например, являются металлами. Коэффициент теплового расширения керамики аналогичен многим керамикам и стеклам и обычно находится в диапазоне от 10 ^-5 метр / метр ° C до 10 ^-6 метр / метр ° C.Основное отличие от обычных материалов состоит в том, что коэффициент теплового расширения анизотропен по отношению к направлению полирования.
Пример криогенных измерений при двух разных температурах
Изменение максимального смещения в зависимости от температуры
Как выбрать пьезокерамический материал
В таблице ниже дается обзор характеристик двух различных пьезокерамических материалов.
Мягкий пьезокерамический материал
(NCE56) Мягкий пьезокерамический материал
(NCE51) Твердый пьезокерамический материал
(NCE46)
Высокая деформация
(статическое или полустатическое применение) ++ ++ –
Низкий гистерезис + – –
Низкий эффект ползучести + – — —
Низкая диэлектрическая проницаемость
(низкая емкость) – + ++
Высокая механическая добротность
(приложение резонансной частоты) – – ++
Низкий коэффициент рассеяния диэлектрика
(низкий самонагрев) – – ++
Применение при высоких температурах – ++ ++
Диапазон значений от — до ++, где — низкий, а ++ высокий.
Дополнительная информация о пьезокерамике?
Если вам нужна помощь в выборе подходящего пьезокерамического материала для вашего применения или вам нужна дополнительная информация, обратитесь в отдел продаж.}

Тип керамики	Мягкий пьезокерамический материал	Твердый пьезокерамический материал
Пьезоконстанты (деформация в статике)	Высокая	Низкий
Диэлектрическая проницаемость (емкость)	Высокая	Низкий
Диэлектрические потери (самонагрев)	Высокая	Низкий
Коэрцитивное поле (деполяризация)	Низкий	Высокая
Факторы качества (деформация при резонансе)	Низкий	Высокая

Что такое пьезоэлемент и принцип его работы

Основные виды пьезоэлементов

Материалы для изготовления пьезоэлементов

Применение пьезоэлементов в ультразвуковых датчиках

Важные характеристики пьезоэлементов для УЗИ

Конструкция пьезоэлектрических преобразователей для УЗИ

Преимущества и недостатки пьезоэлементов

Перспективы развития пьезоэлементов для УЗИ

Физика ультразвука, пьезоэлементы и выбор ультразвуковых датчиков

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

Пьезоэлектрические элементы

Пьезоэлементы ультразвуковые для УЗТ аппаратов и ингаляторов с гарантией по выгодной цене

Пьезоэлемент — Энциклопедия по машиностроению XXL

Пьезоэлектрические преобразователи | АО Пьезо

Пьезоэлемент: применение и принцип работы

Физические свойства пьезоэлемента

Принцип работы

Применение

БЕCКОРПУСНЫЕ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТЫ С ГИБКИМИ ВЫВОДАМИ ФИРМЫ «NINGBO EAST ELECTRONICS LIMITED»

Производство электроэнергии от пьезоэлемента: 7 ступеней

Пьезоэлектрический керамический элемент

Влияние входной частоты

общих форм и размеров | Пользовательские пьезоэлектрические элементы

Общие формы и размеры пьезоэлектрических элементов

Пьезоэлектрические керамические формы и размеры

Пьезоэлектрические керамические кристаллы: общие формы и размеры

Пьезодиски

Пьезо-кольца

Пьезопластины

Пьезоцилиндры

Полировка пьезокерамики в стандартном и сдвиговом режимах

Что такое пьезоэлектрические материалы? | Sciencing

История пьезоэлектрических материалов

Механизм пьезоэлектричества

Пьезоэлектрические кристаллы: список

0 WO

Применение пьезоэлектрических материалов

Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические приводы

Умные материалы

Как работает пьезоэлектричество | ОРЕЛ

Типы пьезоэлектрических материалов

Как работает пьезоэлектричество

Открытие пьезоэлектричества

Пьезоэлектричество сегодня

Пьезоэлектричество и будущее

Пьезоэлектричество — как это работает?

Что такое пьезоэлектричество?

Что вызывает пьезоэлектричество?

Для чего используется пьезоэлектричество?

Сбор энергии с помощью пьезоэлектричества?

Кто открыл пьезоэлектричество?

Основы пьезо | CTS

Природа пьезоэлектричества

Основы пьезоэлектрических материалов

Различные пьезоэлектрические материалы

Кристаллическая структура PZT

Процесс опроса

Твердый и мягкий пьезокерамический материал

Характеристики твердого пьезокерамического материала

Характеристики мягкого пьезокерамического материала

Основные уравнения

Пьезоэлектрические коэффициенты и направления

Основные пьезоэлектрические уравнения

Ограничения линейных определяющих уравнений

Свойства пьезокерамического материала в сильном поле

Линейность: приводы (индивидуальные и многоуровневые) и гибочные машины

Характеристики материала с очень высоким электрическим полем: приводы (индивидуальные и многослойные) и гибочные машины

Линейность: срезные пластины

Гистерезис: приводы (индивидуальные и многоуровневые) и гибочные машины

Гистерезис: срезные пластины

Работа при обратном смещении: приводы (индивидуальные и многослойные) и гибочные машины

Ползучесть

Тепловые свойства пьезокерамического материала

Максимальная температура

Минимальная температура

Как выбрать пьезокерамический материал

Дополнительная информация о пьезокерамике?

Похожие записи

Особенности питания кормящей мамы: что можно и нельзя есть при грудном вскармливании