Прямой пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрический эффект: принцип работы и применение

Что такое пьезоэлектрический эффект. Как работает прямой и обратный пьезоэффект. Где применяются пьезоэлектрические материалы. Какие существуют виды пьезоэлектриков. Как используется пьезоэффект в современных технологиях.

Что такое пьезоэлектрический эффект и как он работает

Пьезоэлектрический эффект — это способность некоторых материалов генерировать электрический заряд при механическом воздействии. Название происходит от греческого слова «пьезо», что означает «давить». Этот эффект был открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году.

Пьезоэлектрический эффект проявляется в двух формах:

• Прямой пьезоэффект — возникновение электрического заряда при деформации кристалла
• Обратный пьезоэффект — деформация кристалла под действием электрического поля

При прямом пьезоэффекте механическое воздействие вызывает смещение зарядов внутри кристалла, что приводит к появлению электрического потенциала на его поверхности. При обратном эффекте приложенное электрическое поле заставляет кристалл деформироваться.

Материалы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами

Пьезоэлектрический эффект наблюдается в материалах с определенной кристаллической структурой. К основным пьезоэлектрическим материалам относятся:

• Природные кристаллы: кварц, турмалин, сегнетова соль
• Керамические материалы: титанат бария, цирконат-титанат свинца (ЦТС)
• Полимеры: поливинилиденфторид (ПВДФ)
• Композитные материалы

Наиболее широкое применение в современной технике нашли керамические пьезоэлектрики на основе ЦТС благодаря их высоким пьезоэлектрическим характеристикам.

Основные характеристики пьезоэлектрических материалов

Свойства пьезоэлектриков характеризуются рядом коэффициентов:

• Пьезоэлектрический модуль d — отношение генерируемого заряда к приложенной силе
• Пьезоэлектрическая постоянная g — отношение генерируемого электрического поля к механическому напряжению
• Коэффициент электромеханической связи k — эффективность преобразования энергии
• Диэлектрическая проницаемость ε
• Механическая добротность Q

Выбор материала для конкретного применения определяется комбинацией этих параметров.

Применение пьезоэлектрического эффекта в технике

Пьезоэлектрический эффект нашел широкое применение в различных областях техники:

Датчики и преобразователи

Прямой пьезоэффект используется для создания высокочувствительных датчиков давления, ускорения, вибрации. Пьезоэлектрические акселерометры применяются в системах навигации и сейсмических датчиках.

Генераторы и излучатели

Обратный пьезоэффект позволяет создавать ультразвуковые излучатели для эхолокации, медицинской диагностики, очистки. Пьезоэлектрические генераторы используются как источники высокого напряжения в зажигалках.

Актуаторы и позиционеры

Высокоточные пьезоэлектрические актуаторы применяются в микроскопии, оптике, микроэлектронике для прецизионного позиционирования с нанометровой точностью.

Энергосбережение

Разрабатываются системы сбора энергии вибраций с помощью пьезоэлектрических преобразователей для питания автономных устройств.

Преимущества и недостатки пьезоэлектрических устройств

Пьезоэлектрические устройства обладают рядом важных достоинств:

• Высокая чувствительность и быстродействие
• Широкий частотный диапазон
• Высокая надежность из-за отсутствия движущихся частей
• Малые размеры и энергопотребление
• Возможность работы в экстремальных условиях

К недостаткам можно отнести:

• Нелинейность характеристик
• Температурную зависимость параметров
• Хрупкость керамических материалов
• Высокую стоимость некоторых материалов

Перспективы развития пьезоэлектрических технологий

Основные направления развития пьезоэлектрических технологий включают:

• Разработку новых материалов с улучшенными характеристиками
• Создание композитных и наноструктурированных пьезоэлектриков
• Расширение применения в микроэлектромеханических системах (МЭМС)
• Развитие методов энергосбережения на основе пьезоэффекта
• Совершенствование технологий производства для снижения стоимости

Пьезоэлектрические технологии продолжают активно развиваться и находить новые области применения в современной технике.

Как работает пьезоэлектрический двигатель

Пьезоэлектрический двигатель — это устройство, преобразующее электрические колебания в механическое движение за счет обратного пьезоэффекта. Принцип его работы основан на резонансных колебаниях пьезоэлектрического элемента.

Основные компоненты пьезоэлектрического двигателя:

• Пьезоэлектрический вибратор
• Фрикционный элемент (толкатель)
• Подвижный ротор или линейная направляющая

При подаче переменного напряжения на пьезоэлемент возникают его высокочастотные колебания. Толкатель, прижатый к пьезоэлементу, совершает сложное эллиптическое движение. За счет трения это движение передается на ротор или линейную направляющую, вызывая их перемещение.

Преимущества пьезоэлектрических двигателей:

• Высокая точность позиционирования (до нанометров)
• Большой крутящий момент при малых скоростях
• Быстрый отклик и высокое быстродействие
• Отсутствие магнитных полей
• Компактность и легкость конструкции

Пьезоэлектрические двигатели находят применение в прецизионных системах позиционирования, робототехнике, медицинском оборудовании, аэрокосмической технике.

Применение пьезоэлектрического эффекта в медицине

Пьезоэлектрические технологии нашли широкое применение в современной медицине:

Ультразвуковая диагностика

Пьезоэлектрические преобразователи используются в ультразвуковых сканерах для получения изображений внутренних органов. Они генерируют и принимают ультразвуковые волны, обеспечивая высокое качество диагностики.

Литотрипсия

Мощные пьезоэлектрические излучатели применяются для дробления камней в почках с помощью сфокусированных ультразвуковых волн.

Хирургические инструменты

Пьезоэлектрические скальпели и ультразвуковые хирургические системы позволяют проводить малоинвазивные операции с минимальным повреждением тканей.

Слуховые аппараты

Миниатюрные пьезоэлектрические микрофоны и динамики используются в современных слуховых аппаратах.

Дозаторы лекарств

Пьезоэлектрические микронасосы применяются в системах точного дозирования лекарственных препаратов.

Развитие пьезоэлектрических технологий продолжает открывать новые возможности для медицинской диагностики и терапии.

Пьезоэлектрический эффект и его практическое применение

Технология основанная на принципе, называемом пьезоэффектом, при котором определенные материалы обладают способностью накапливать электрический заряд от приложенных к ним давления и деформации может  использоваться для производства электроэнергии.

Пьезоэлектричество относится к способности некоторых материалов генерировать электрический потенциал в ответ на приложенное давление. Встроенный пьезоэлектрический материал может обеспечить магию преобразования давления, оказываемого движущимися людьми или машинами, в электрический ток из-за давления, приложенного к пьезоэлектрическому материалу.

Исследование пьезоэлектрического материала

Пьезоэлектрический эффект был открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году, которые наблюдали, что некоторые материалы  генерируют электрический ток, когда они деформируются. Материал, который преобразует механическую деформацию или силу в электрический ток или напряжение, известен как пьезоэлектрический эффект.

Повседневными примерами силы или напряжения являются человеческие движения, а вибрации-различные виды механических напряжений. При определенном расположении молекулы прижимаются друг к другу, близость одного атома к другому изменяется настолько, что происходит изменение конфигурации электронов валентности. Когда давление ослабляется, электроны возвращаются на свои прежние места. Если к пьезоэлектрическому материалу  соединить провода, то электроны могут быть использованы для создания тока. Пьезоэлектрический материал чаще всего состоит из цирконата титаната свинца.

Пьезоэффект существует в двух свойствах:

•  во-первых, пьезоэффект является обратимым процессом в том смысле, что материалы, проявляющие прямой пьезоэффект (внутренняя генерация электрического заряда в результате приложенной силы)
• во-вторых, он также проявляет обратный пьезоэлектрический эффект (внутреннее генерирование механической деформации в результате приложенного электрического поля).

Пьезоматериалы в напольной плитке

В этих типах применения используется специальные напольные плитки, которые могут ощущать вибрацию, под которыми помещаются пьезоэлектрические материалы. Когда любое движение ощущается этим пьезо, они генерируют электричество. Эти типы напольных покрытий устанавливаются в местах, где ожидаются большие движения толпы людей, таких как железнодорожный вокзал, автовокзалы, аэропорты, торговые центры, пешеходные дорожки и т. д..  Когда люди наступают на такую напольную плитку, то за счет пьезоэлектрического эффекта накапливается небольшой заряд и генерируется энергия. Сгенерированная энергия на одного человека мала, но если количество шагов на таких плитках разных людей большое, то энергия, производимая ею, увеличивается.

Когда человек ступает по таким плиткам, пьезоэлектрический кристалл под плитками ощущает некоторое механическое напряжение, и это заставляет электрический заряд накапливаться на поверхности кристалла, который может быть собран с помощью электродов. Генерируемая энергия может храниться конденсатором, и эта энергия может быть передана в соответствии с требованиями.

Япония уже начала экспериментировать с использованием эффекта пьезоэлектрика  для выработки энергии. Они установили специальные напольные плитки на двух самых загруженных станциях столицы. Плитка была установлена перед билетными турникетами. Таким образом, каждый раз, когда пассажир ступает на определенное место, то он вызывают небольшую вибрацию, которая может быть сохранена в виде энергии.

Дорога для питания уличных фонарей

Строительство специальных типов дорог, которые вырабатывают электричество, просто проезжая по ним. С помощью трафика по существующим  дорогам можно генерировать электрическую энергию с помощью пьезоэлектрического эффекта. План строительства специальных типов дорог, генерирующих электроэнергию, является уникальным приложением в методологии сбора электроэнергии. Эта система работает путем встраивания небольших пьезоэлектрических кристаллов в дорогу. Хотя небольшой заряд генерируется одним автомобилем, но 1-километровый участок такой дороги может генерировать около 400 Вт – достаточно для питания уличных фонарей. Если бы такая система была установлена на одном очень длинном участке автострады, она бы вырабатывала достаточно энергии для автозаправки.

На шоссейных дорогах трафик постоянен в течении 24 часов в сутки. Общую силу, оказываемую движением автомобилей по дорожному покрытию можно рассчитать, рассматривая среднее количество транспортных средств, проходящих через определенную точку, за период времени. В ходе обследования в стране  Израиль установлено, что транспортное средство весом около 5 тонн может генерировать 2000 Вт, а 1-километровый кластер таких генераторов может генерировать энергию 400 кВт * ч. Если по этой дороге в течение часа проезжает 600 автомобилей, то она может питать до 600-800 домов.

Танцполы

Пьезоэлектрический эффект также можно использовать на танцплощадках, как и на дорогах и железнодорожных станциях. Когда пол сжимается ногами танцоров, пьезоэлектрический материал вступает в контакт и генерирует электричество около 2-20 Вт. Выработка электричества зависит от силы ног. Постоянное сжатие пьезокристаллов вызывает выработку небольшого количества энергии, которая может запитать размещенные маломощные устройства.

Пьезоэлектрогенерация внутри каблука обуви

Точно так же, как плитка, дороги, танцполы, предпринимаются попытки производить энергию из наших ежедневных движений, устанавливая пьезоэлектрические кристаллы  в обувь. У этих ботинок пьезоэлектрические кристаллы размещаются с задней стороны обуви около пятки. Таким образом, с каждым шагом пьезоэлектрический кристалл будет проходить через давление, которая, в свою очередь, может генерировать достаточно энергии для питания сотовых телефонов.

Если эти ботинки будут проходить через движения ежедневно, то они смогут генерировать достаточно электричества, чтобы зарядить небольшие электронные устройства или гаджеты.

Выработка энергии с пешеходных дорожек

Пешеходная дорожка — это самое распространенное место, где мы вставляем пьезоэлектрические плитки, чтобы произвести небольшое количество энергии, используя человеческий шаг по ней. Произведенный заряд хранится в батарее, а затем этот накопленный заряд можно использовать для зарядки маломощных электронных устройств.

Железнодорожные пути

Железнодорожные пути являются важным местом, которое отвечает за выработку большой энергии, так как огромное количество давления оказывают поезда на железнодорожные пути. Встроенные пьезоэлектрические кристаллы на железнодорожных путях, где колеса соприкасаются с рельсами получают избыточное давление за счет массы составов, из-за этого накапливается большее количество энергии.

Энергогенерирующая взлетно-посадочная полоса аэропорта

В большом количестве давление оказывается на взлетно-посадочные полосы, когда самолет взлетает или садится. Если мы поместим здесь пьезоэлектрические устройства, то сможем преобразовать эту механическую энергию. Эффективность системы может быть повышена путем размещения штабелированной структуры, которая состоит из нескольких слоев пьезоэлектрических кластеров и обладает способностью выдерживать огромное количество давления. Максимальная взлетная масса для самолета Аirbus (A380) это 560 тонн, которые могут вырабатывать 224 КВт, так что если учесть общее количество посадок на взлетно-посадочную полосу, то можно было бы произвести большое количество энергии. Можно было бы произвести почти 8138 кВт * ч энергии, которая может питать до 12207-16276 домов.

Школы, колледжи, торговые центры и спортивные залы

Наличие пола из пьезоэлектрического материала заставит производить больше энергии в торговых центрах и школах. Мы можем встроить пьезоэлектрик в торговые центры и школы. Идея использования вибраций, вызванных машинами в тренажерном зале и на рабочих местах, а также сидя на стуле, эта энергия может быть сохранена в батареях, поместив пьезоэлектрические кристаллы в кресло.

Заключение

Это утверждение Альберта Эйнштейна верно: “Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, она может быть передана из одной формы в другую.” Этот метод получения электроэнергии с использованием пьезоэлектрического материала уже запущен во многих странах, а именно в Японии, Израиле, Нидерландах.

Использование пьезоэлектрического материала является экологически чистым и не вызывает загрязнения окружающей среды. Это недорогой способ получения электроэнергии  прост в установке.

В будущем этот метод станет перспективным для получения экологически чистой электроэнергии.

Пьезоэлектрический эффект

Статьи

Пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) наблюдается в кристаллах некоторых веществ, обладающих определенной симметрией. К наиболее распространенным в природе минералам-пьезоэлектрикам относятся кварц, турмалин, сфалерит, нефелин. Пьезоэффектом обладают некоторые поликристаллические диэлектрики с упорядоченной структурой (керамические материалы и полимеры). Диэлектрики, обладающие пьезоэффектом, называются пьезоэлектриками.

 

Рис. 1

Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нем не только механическую деформацию (как во всяком твердом теле), но и электрическую поляризацию, т.е появление на его поверхностях электрических зарядов разных знаков (рис.1а, F — действующие силы, Р — вектор электрической поляризации).

При противоположном направлении механических сил меняются знаки зарядов (рис.1б). Это явление называют прямым пьезоэффектом (рис.2а).

Рис. 2

Но пьезоэффект обратим. При воздействии на пьезоэлектрик электрического поля соответствующего направления в нем возникают механические деформации (рис.1в).При изменении направления электрического поля соответственно изменяются деформации(рис.1 г).Это явление получило название обратного пьезоэффекта (рис.2б).

Пьезоэлектрический эффект объясняется следующим образом. В кристаллической решетке вследствие несовпадения центров положительных и отрицательных ионов имеется объемный электрический заряд. В отсутствие внешнего электрического поля эта поляризация не проявляется, так как она компенсируется зарядами на поверхности. При деформации кристалла положительные и отрицательные ионы решетки смещаются друг относительно друга, и соответственно изменяется электрический момент кристалла, который вызывает появление потенциалов на поверхности.

Именно это изменение электрического момента и проявляется в пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэффект зависит не только от величины механического или электрического воздействия, но и от характера и направления сил относительно кристаллографических осей кристалла.

Деформации пьезоэлектрика, возникающие вследствие пьезоэффекта, незначительны по абсолютной величине. Например, кварцевая пластина толщиной 1 мм под действием напряжения 100 В изменяет свою толщину всего на 0,23 мкм. Незначительность деформаций пьезоэлектриков объясняется их очень высокой жесткостью.

Прямой и обратный пьезоэффект линейны и описываются линейными зависимостями, связывающими электрическую поляризацию Р с механическим напряжением g:

Р=αg    (1).

Данную зависимость называют уравнением прямого пьезоэффекта. Коэффициент пропорциональности α называется пьезоэлектрическим модулем (пьезомодулем). Он служит мерой пьезоэффекта. Обратный пьезоэффект описывается зависимостью

r=αE    (2),

где r — деформация;

Е — напряженность электрического поля.

Рис. 3

Пьезомодуль α для прямого и обратного эффектов имеет одно и то же значение. Пьезоэлектрические излучатели не имеют механических контактов и состоят из керамического элемента, закрепленного на металлическом диске (рис.3).Вибрация диска вызвана приложенным к нему напряжением. Переменное напряжение определенной частоты создает звуковой сигнал. Пьезоэлектрические излучатели не подвержены механическому износу элементов конструкции, имеют малое энергопотребление, у них отсутствуют электрические шумы. С помощью пьезокерамики удается получать значительную громкость звука. Отдельные образцы пьезокерамических преобразователей могут развивать звуковое давление на расстоянии 1 м до 130 дБ (уровень болевого порога)

Рис. 4

Пьезоэлектрические излучатели выпускаются в двух модификациях:

— “чистые” преобразователи (без схемы управления) — пьезозвонки;
— излучатели со схемой управления (с встроенным генератором) — оповещатели.

Чтобы преобразователи первого типа генерировали звуки, необходимы сформированные управляющие сигналы (синусоида или меандр определенной частоты, указанной для конкретной модели преобразователя). Излучатели со встроенным генератором требуют подачи только определенного уровня напряжения. Такие устройства выпускаются на номинальные напряжения от 1 до 250 В (постоянного и переменного тока).

Например, пьезокерамический звонок (пьезозуммер) ЗП-1 (рис.4) состоит из двух пьезоблоков, мембрана каждого из которых выполнена в форме неглубокой тарелки с внешним диаметром 32 мм. Тарелки сложены встречно и пропаяны по внешней границе. Пьезоэлементы в звонке скоммутированы таким образом, что при подаче переменного напряжения поверхности тарелок либо сходятся, либо расходятся, т.е. с обеих сторон звонка образуются зоны сжатия и разрежения. Резонансная частота звонка—2 кГц.

Рис. 5

Он создает звуковое давление 75 дБ на расстоянии 1 м при напряжении на резонансной частоте 10 В. Этот звонок излучает звуковые волны одинаково в оба полупространства. В табл.1 приведены параметры других пьезоизлучателей, внешний вид которых показан на рис.5. На рис.6 представлены амплитудно-частотные характеристики пьезоэлементов: ПВА-1 — рис. 6а и ЗП-5 — рис.6б.

Табл.1 характеристики пьезоизлучателей

Тип	Звуковое давление, ДБ	Рабочее напряжение, В	Резонансная частота, кГц	Размеры, мм
				Диаметр	Высота
ЗП-1	75	5	1…3	39	4
ЗП-3	75	3	4,1 ±0,05	42,7	2,1
ЗП-4	75	3	4,1±0,05	32	—
ЗП-5	75	5	1. ..3	39	4
ЗП-6	75	3	4,1±0,05	32	1,3
ЗП-18	88	3	4,1 ±0,05	22	7
ЗП-19	88	—	2,5	35	7
ЗП-22*	75	6	1 …3,5	32	4
ЗП-25	88	3	4,1 ±0,05	22	3,5
ЗП-31	80	—	4,5	17	5
ПВА-1	80	—	2,1	37	9
ППА-1	75	—	1,2	45	11

Примечание: * — предназначен для работы в автоколебательном режиме.

 

Рис. 6, амплитудно-частотные характеристики пьезоэлементов

А.Кашкаров

 

 

Основы пьезотехнологии

Слово «пьезо» происходит от греческого слова «давление». В 1880 году Жак и Пьер Кюри обнаружили, что давление генерирует электрические заряды в ряде кристаллов, таких как кварц и турмалин; они назвали это явление «пьезоэлектрическим эффектом». Позже они заметили, что электрические поля могут деформировать пьезоэлектрические материалы. Этот эффект называется «обратным пьезоэлектрическим эффектом».

Промышленный прорыв произошел с >> пьезоэлектрической керамикой, когда ученые обнаружили, что титанат бария приобретает пьезоэлектрические характеристики в полезном масштабе при приложении электрического поля.

В настоящее время пьезоэлектрический эффект используется во многих бытовых изделиях, таких как зажигалки, громкоговорители и преобразователи сигналов. Технология пьезоприводов также получила признание в автомобильной технике, поскольку пьезоуправляемые клапаны впрыска в двигателях внутреннего сгорания сокращают время перехода и значительно улучшают плавность и качество выхлопных газов.

Давление создает заряды на поверхности пьезоэлектрических материалов. Этот прямой пьезоэлектрический эффект , также называемый генераторным или сенсорным эффектом, преобразует механическую энергию в электрическую.

И наоборот, обратный пьезоэлектрический эффект  вызывает изменение длины материалов этого типа при приложении электрического напряжения. Этот эффект привода преобразует электрическую энергию в механическую.

Пьезоэффект проявляется как в монокристаллических материалах, так и в поликристаллической сегнетокерамике. В монокристаллах асимметрия строения элементарных ячеек кристаллической решетки, т.е. полярная ось, образующаяся ниже температуры Кюри Т _C  , является достаточным условием для возникновения эффекта.

Пьезоэлектрическая керамика дополнительно имеет спонтанную поляризацию, т.е. концентрации положительных и отрицательных зарядов элементарных ячеек отделены друг от друга. При этом ось элементарной ячейки вытягивается в направлении спонтанной поляризации и возникает спонтанная деформация.

Пьезоэлектрический эффект природных монокристаллических материалов, таких как кварц, турмалин и сегнетовая соль, относительно невелик. Поликристаллическая сегнетоэлектрическая керамика, такая как титанат бария (BaTiO ₃ ) и титанат цирконата свинца (PZT) демонстрируют большие смещения или индуцируют большие электрические напряжения. Пьезокерамические материалы PZT доступны во многих вариантах и ​​наиболее широко используются в приводах или датчиках. Специальные легирования керамики ЦТС, например, ионами Ni, Bi, La, Nd, Nb, позволяют целенаправленно оптимизировать пьезоэлектрические и диэлектрические параметры.

При температурах ниже температуры Кюри T _C  решеточная структура кристаллитов PZT становится искаженной и асимметричной. Это приводит к образованию диполей, ромбоэдрических и тетрагональных фаз кристаллитов, представляющих интерес для пьезотехнологии. Керамика проявляет спонтанную поляризацию. Выше температуры Кюри пьезокерамический материал теряет свои пьезоэлектрические свойства.

>> Подробнее о пьезоэлектрических материалах

Поляризованные домены (Изображение: IKTS Dresden)

Для минимизации внутренней энергии материала в кристаллитах керамики образуются сегнетоэлектрические домены. Внутри этих объемов направления спонтанной поляризации совпадают.

Различная ориентация граничащих доменов разделена доменными стенками. Процесс сегнетоэлектрической поляризации необходим, чтобы сделать керамику макроскопически пьезоэлектрической.

Принцип сегнетоэлектрической поляризации

Для этого применяется сильное электрическое поле в несколько кВ/мм для создания асимметрии в ранее неорганизованном керамическом соединении. Электрическое поле вызывает переориентацию спонтанной поляризации. При этом домены с благоприятной ориентацией к направлению поля полярности растут, а с неблагоприятной — сжимаются. Доменные стенки смещаются в кристаллической решетке.

После поляризации большинство переориентаций сохраняется даже без приложения электрического поля. Однако небольшое количество доменных стенок смещается обратно в исходное положение, например, за счет внутренних механических напряжений.

Керамика расширяется всякий раз, когда прикладывается электрическое поле, которое менее сильное, чем исходная напряженность поля поляризации. Часть этого эффекта обусловлена ​​пьезоэлектрическим сдвигом ионов в кристаллической решетке и называется внутренний эффект .

Внешний эффект основан на обратимой сегнетоэлектрической переориентации элементарных ячеек. Он увеличивается с увеличением напряженности возбуждающего поля и отвечает за большинство нелинейных гистерезисных и дрейфовых характеристик сегнетоэлектрической пьезокерамики.

Смещение сегнетоэлектрической пьезокерамики при различных амплитудах управления

Поляризованные пьезоэлектрические материалы характеризуются несколькими коэффициентами и соотношениями.
В упрощенном виде основные соотношения между электрическими и упругими свойствами можно представить следующим образом:

	D Плотность электрического потока
	Т механическое напряжение
	E Электрическое поле
	S Механическая деформация
	d Коэффициент пьезоэлектрического заряда
	εT Диэлектрическая проницаемость (для T = постоянная)
	sE Коэффициент податливости или эластичности (для E = постоянный)

Эти соотношения применимы только к небольшим электрическим и механическим амплитудам, так называемым малым значениям сигнала. В этом диапазоне зависимости между механической, упругой деформацией S или напряжением T и электрическим полем E или плотностью электрического потока D носят линейный характер, а значения коэффициентов постоянны.

Эти коэффициенты слабого сигнала можно найти в таблице данных материалов:

Ортогональная система для описания свойств поляризованной пьезокерамики. Ось 3 — направление поляризации

Направления обозначаются осями 1, 2 и 3 (соответствующими осям X, Y и Z декартовой системы координат). Оси вращения, известные как U, V, W в системе координат, обозначаются цифрами 4, 5 и 6.

Направление поляризации (ось 3) устанавливается в процессе поляризации с помощью сильного электрического поля, приложенного между двумя электродами. Здесь достигается наибольшее смещение пьезокерамики.

Поскольку пьезоэлектрический материал анизотропен, соответствующие физические величины описываются тензорами. Поэтому пьезоэлектрические коэффициенты индексируются соответствующим образом.

Электромеханическое поведение пьезоэлектрического тела, возбужденного до колебаний, может быть представлено электрической эквивалентной схемой.

C ₀  – емкость диэлектрика. Последовательная схема, состоящая из C ₁ , L ₁ и R ₁ , описывает изменение механических свойств, таких как упругая деформация, эффективная масса (инерция) и механические потери в результате внутреннего трения. Однако это описание колебательного контура можно использовать только для частот, близких к собственному механическому резонансу.

Большинство параметров пьезоэлектрических материалов определяются путем измерения импеданса на специальных тестовых телах в резонанс. Последовательный и параллельный резонансы используются для определения пьезоэлектрических параметров. Они соответствуют хорошему приближению минимума импеданса f _м  и максимум f _n .

Эквивалентная принципиальная схема пьезоэлектрического резонатора Типичная кривая импеданса

Состояния или режимы колебаний и деформация определяются геометрией тела, механоупругими свойствами и ориентацией электрического поля и поляризацией.

Брошюра

Режимы колебаний пьезокерамических элементов

Английский Немецкий

Скачать

Скачать

Свойства пьезоприводов

Характеристики пьезокерамических приводов: режимы перемещения, силы и жесткости, динамика. Условия окружающей среды.

Производственная технология

PI Ceramic предлагает широкий спектр производственных технологий: прессование или ленточная технология, технология сборки и процедуры испытаний.

Пьезокерамические материалы

Компания PI Ceramic предлагает множество различных пьезоэлектрических материалов, включая материалы, не содержащие свинец.

Технология PICMA®

Высокая надежность и увеличенный срок службы благодаря запатентованному процессу изготовления многослойных приводов.

Каталог

Компоненты, технологии, работа

Английский Немецкий

Скачать

Скачать

Каталог

Основы, характеристики и применение

Английский Немецкий

Скачать

Скачать

COMSOL Моделирование прямого пьезоэлектрического эффекта

COMSOL Моделирование прямого пьезоэлектрического эффекта

***Я предоставляю услуги по моделированию ультразвуковых преобразователей для разработки продуктов. Подробнее о моих консультациях читайте здесь: https://www.ultrasonicadvisors.com/***



В этой статье мы собираемся продемонстрировать моделирование прямого пьезоэлектрического эффекта с помощью программы моделирования МКЭ, известной как COMSOL. Мы приложим силу к пьезоэлектрическому элементу, и от этой силы пьезоэлектрический элемент создаст напряжение.

Уравнения, описывающие прямой пьезоэлектрический эффект

Начнем с двух уравнений. Во-первых, пьезоэлектрическое уравнение, взаимосвязь между поляризацией и напряжением:

Второе уравнение представляет собой электростатическое уравнение конденсатора:

Эти два уравнения важны для понимания того, как приложенное напряжение/сила относится к развиваемому заряду, и послужат основой для нашего вывода. Поскольку поляризация (P) по существу представляет собой заряд на единицу площади, мы имеем:

Кроме того, поскольку напряжение (X) представляет собой силу на единицу площади, мы имеем:

Подставляя уравнения iii и iv в уравнение i, получаем: 

Упрощая уравнение, мы get:

С помощью этого уравнения мы можем заключить, что если у нас есть пьезоэлектрический материал, и мы прикладываем силу к этому материалу на небольшой площади или на большой площади, мы получим одинаковое напряжение — это потому, что сила — это площадь интеграл приложенного напряжения.

Однако в датчиках мы обычно измеряем напряжение. Далее нам нужно вывести уравнение относительно напряжения.

Подставляя уравнение ii к уравнению v, мы имеем: материал под свободным напряжением. Итак, у нас есть емкость материала по формуле:

. Подставив уравнение vii в уравнение vi, мы получим наше рабочее уравнение с точки зрения напряжения:

На основании полученного уравнения можно сказать, что по мере увеличения площади пьезоэлектрического материала напряжение уменьшается.



Настройка статического моделирования в COMSOL Описание прямого пьезоэлектрического эффекта

Теперь давайте засвидетельствуем прямой пьезоэлектрический эффект, спроектировав простой цилиндр в COMSOL и приложив силу и измерив напряжение.

Сначала мы перейдем к мастеру моделирования в COMSOL. В нашем случае выберите 3D, затем перейдите к структурной механике, выберите пьезоэлектрические устройства и добавьте необходимую физику для этой симуляции. Мы хотим смотреть на стационарные результаты, потому что мы делаем статическое моделирование, поэтому добавьте стационарную физику.

Измените метры на миллиметры, потому что это в первую очередь шкала, в которой мы работаем для пьезоэлектрических устройств.

Чтобы добавить геометрию пьезоэлемента, перейдите на панель геометрии и постройте цилиндр.

Установите радиус и высоту цилиндра 10 мм и выберите «Построить все объекты».

В параметрах материалов назначьте материал PZT, перейдя в библиотеку и выбрав PZT-4, который является стандартным PZT.

Выберите Fixed Constraint в Solid Mechanics, чтобы зафиксировать материал внизу.

Чтобы применить силу, в разделе «Механика твердого тела» перейдите к «Границы нагрузки». Выберите Total Force в качестве типа нагрузки и примените -10N к оси Z.

Чтобы измерить потенциал напряжения на пьезоэлектрическом материале, очень важно отметить, что при выполнении этого в COMSOL нам нужно указать один из электродов как «плавающий», а другой — как «земля».

Выберите «Добавить исследование» и выберите «Стационарный».

В разделе «Определение» перейдите к «Датчики», выберите «Датчик граничной точки» и укажите верхнюю часть пьезоэлектрического материала.

В поле «Выражение зонда точки» укажите «Плавающий потенциал».

Теперь, когда все параметры установлены, мы можем начать симуляцию, перейдя в «Изучение» и нажав «Вычислить».

Сравнение результатов моделирования

Чтобы найти измерение напряжения, выберите Probe Plot в результатах. Здесь мы легко можем увидеть, что плавающий потенциал составляет -7,58 В.

Чтобы проверить нашу симуляцию, мы воспользуемся полученным ранее уравнением для решения напряжения и сравним его со значением из нашей симуляции COMSOL.

Используя формулу, мы подставляем наши значения, использованные в моделировании

Подставляя значения в уравнение, мы получаем:

Как мы видим, существует небольшая разница между нашим вычисленным значением и значением, полученным в результате моделирования COMSOL .