Пьезоэлектрический эффект это: Пьезоэлемент

Пьезоэлемент

Дмитрий Левкин

Пьезоэлемент — электромеханический преобразователь, изготавливаемый из пьезоэлектрических материалов, определенной формы и ориентации относительно кристаллографических осей, с помощью которого механическая энергия преобразуется в электрическую (прямой пьезоэффект), а электрическая в механическую (обратный пьезоэффект).

Конструктивно пьезоэлемент представляет из себя пьезокерамику с нанесенными электродами. Пьезоэлементы могут быть разнообразной формы: в виде дисков, колец, трубок, пластин, сфер и др. Для вибраторов и генераторов пьезоэлементы объединяют в пьезостек, чтобы достичь лучших характеристик.

Сменить цвет

Колебания пьезоэлемента
Диаметр: 10 мм
Толщина: 1 мм
Материал: ЦТС-26
Напряжение: 5В
Частота возбуждения: 1МГц
Масштаб колебаний: 30000:1

Посмотреть колебания

Остановить колебания

Рисунок — Колебание свободного пьезоэлемента под действием напряжения (обратный пьезоэффект)

Пьезоэлектрические вещества (пьезоэлектрики), в частности пьезокерамика, имеет то свойство, что при деформации под действием внешнего механического давления на их поверхности возникают электрические заряды. Этот эффект называется прямым пьезоэлектрическим эффектом и был открыт в 1880 г. братьями Кюри.

Справка: Первая статья Жака и Пьера Кюри о пьезоэлектричестве была представлена Минералогическому обществу Франции (Societe mineralogique de France) на сессии 8 Апреля 1880 года и позже Академии наук (Academie des Sciences) на сессии 24 августа 1880 года. Пьер и Жак Кюри впервые открыли прямой пьезоэлектрический эффект у кристалла

турмалина. Они заметили, что если оказывать механическое давление на кристалл в определенном направлении, на противоположных сторонах кристалла возникают электрические заряды пропорциональные давлению и противоположной полярности. Позже они открыли подобный эффект у кварца и других кристаллов. В 1880 году Пьеру Кюри был только 21 год [9].

Вскоре после этого (в 1881 г.) был подтвержден и обратный пьезоэффект, а именно что такое вещество, расположенное между двумя электродами, реагирует на приложенное к нему электрическое напряжение изменением своей формы.

Первый эффект в настоящее время используется для измерений, а второй – для возбуждения механических давлений, деформаций и колебаний.

Более детальные исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойством элементарной ячейки структуры материала. При этом элементарная ячейка является наименьшей симметричной единицей материала, из которой путем ее многократного повторения можно получить микроскопический кристалл. Было показано, что необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в элементарной ячейки.

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

Здесь можно кратко пояснить пьезоэлектрический эффект на примере титаната бария, часто применяемой пьезоэлектрической керамики со сравнительно простой конструкцией элементарной ячейки. Титанат бария ВаТiO₃, как и многие другие пьезокерамические вещества, аналогичен по структуре перовскиту (СаТiО₃), по которому и назван этот класс материалов.

Элементарная ячейка при температурах выше, критической, которая называется также точкой Кюри, является кубической. Если температура ниже этой критической, то элементарная ячейка тетрагонально искажается по направлению к одной из кромок. В результате изменяются и расстояния между положительно и отрицательно заряженными ионами (рисунок 1, для ВаТiO₃ вместо Pb — Ba). Смещение ионов из их первоначального положения очень мало: оно составляет несколько процентов параметра элементарной ячейки. Однако такое смещение приводит к разделению центров тяжести зарядов внутри ячейки, так что образуется электрический дипольный момент. По энергетическим условиям диполи соседних элементарных ячеек кристалла упорядочиваются по областям в одинаковом направлении, образуя так называемые домены.

Рисунок 2 – Неупорядоченная поляризация (слева) и упорядоченная поляризация доменов при наложениии сильного электрического поля (справа)

Направления поляризации доменов распределяются в поликристаллической структуре по статическому закону. Таким образом, неупорядоченные скопления отдельных микрокристаллов в структуре вещества, образующиеся только в спеченной керамики, в макроскопическом смысле вообще не могут давать никакого пьезоэлектрического эффекта. Только после так называемого процесса поляризации, в котором при наложении сильного электрического поля на керамику происходит выравнивание возможно большего числа доменов параллельно друг другу, удается использовать пьезоэлектрические свойства элементарных ячеек. Поляризация обычно проводится при температуре немного ниже температуры Кюри, чтобы облегчить ориентацию доменов. После охлаждения это упорядоченное состояние остается стабильным.

Современные средства проектирования позволяют рассчитать / промоделировать отдельно пьезоэлемент или пьезоэлектрический преобразователь целиком. По согласованию с Инженерными решениями Вы можете заказать расчет парметров пьезоэлектрического преобразователя

Механическое сжатие или растяжение, действующее на пьезоэлектрическую пластину параллельно направлению поляризации, приводит к деформации всех элементарных ячеек.

При этом центры тяжести зарядов взаимно смещаются внутри элементарных ячеек, которые расположены теперь преимущественно параллельно, и в результате получается заряд на поверхности [2].

Связь между приложенной силой и результирующим ответом пьезоэлемента зависит от: пьезоэлектрических свойств пьезокерамики, размера и форм образца, направления электрического и механического возбуждения.

По своей природе пьезоэлектрические материалы являются анизотропными кристаллами. Рисунок 3 показывает различные направления и оси ориентации пьезоэлектрического материала. Оси 1, 2 и 3 являются соответственными аналогами осей X, Y, Z классической ортогональной системы координат, в то время как оси 4, 5, и 6 определяют оси вращения. Направление оси 3 является направлением поляризации [1]. Это направление устанавливается во время производства посредством высокого постоянного напряжения, которое создается между электродами.

Рисунок 3 – Направление и ориентация осей пьезоэлектрического материала

Пьезоэлемент характеризуется следующими свойствами:

а) Относительные диэлектрические постоянные

Относительная диэлектрическая постоянная является отношением диэлектрической проницаемости материала (в этом случае и ) к диэлектрической проницаемости вакуума ( ε₀)

и , (1)

где ε₀ = 8,85· 10^-12, Ф/м

Верхний индекс показывает граничные условия действующие на материал в процессе определения значения относительной диэлектрической постоянной. В частности индекс T (в этом случае) говорит о том, что диэлектрическая постоянная измеряется на свободном (не зажатом) образце [3]. А индекс S показывает, что измерения происходят при постоянной деформации пьезокерамики (в зажатом состоянии). Первый нижний индекс показывает направление диэлектрического смещения, а второй – электрического поля [1]. Формула расчета относительной диэлектрической постоянной следующая:

, (2)

• где — диэлектрическая проницаемость (одна из двух или ), Ф/м
• t – расстояние между электродами, м,
• S – площадь электрода, м²,
• C – емкость, Ф

б) Резонансная частота

Собственная частота пластины по толщине f₀ вычисляется по следующей формуле

, (3)

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

Нажимайте сюда для просмотра колебаний пьезоэлемента!

Частота возбуждения f=25кГц
Масштаб колебаний 200000:1

Частота возбуждения f=73,6кГц
Масштаб колебаний 10000:1

Частота возбуждения f=280кГц
Масштаб колебаний 10000:1

Рисунок 4 — Амлитудно-частотная характеристика пьезоэлемента. Виды колебаний на разных частотах

в) Коэффициенты электромеханической связи

Коэффициенты электромеханической связи k_p, k₃₃, k₁₅, k_t и k₃₁ описывают способность пьезоэлемента превращать энергию из электрической в механическую и наоборот. Квадрат коэффициента электромеханической связи определяется как отношение накопленной преобразованной энергии одного вида (механической или электрической) к входной энергии второго вида (электрической или механической). Индекс показывает относительные направления электрических и механических величин и вид колебаний. Они могут быть связанны с модой колебаний простого преобразователя определенной формы. k _p означает взаимосвязь электрической и механической энергии в тонком круглом диске, поляризованном по толщине и колеблющемся в радиальном направлении – планарная мода (рисунок 5а). k₃₁ относится к длинному тонкому бруску с электродами на длинной поверхности. Вид колебаний – растяжение сжатие по длине (рисунок 5б). k_t связан с тонким диском или пластиной и определяет растяжения сжатия по толщине (рисунок 5в). k₃₃ соответствует длинному тонкому бруску с электродами на его концах и поляризованному по длине. Вид колебаний – растяжения сжатия по длине (рисунок 5г). k₁₅ описывает энергию преобразованную в сдвиговые колебания по толщине (рисунок 5д) [4].

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

, (4)

• где f_r – резонансная частота, Гц,
• f_a – антирезонансная частота, Гц [5]

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

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

Рисунок 5 – Виды колебаний образцов пьезокерамики разной формы

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

г) Упругие константы

Упругие свойства пьезоэлектрических материалов характеризуются упругими податливостями () или упругими жесткостями (). Упругая податливость определяет величину деформации возникающей под воздействием приложенного механического напряжения. Ввиду того, что под воздействием механического напряжения керамика порождает электрический ответ, который противодействует результирующей деформации, эффективный модуль Юнга при коротком замыкании электродов меньше чем при холостом ходе. В дополнение, жесткость различна в разных направлениях, поэтому для точного определения величины указываются электрические и механические условия. Верхний индекс E говорит о том, что замеры происходят при постоянном электрическом поле (короткое замыкание). В то время как, индекс D указывает на граничное условие – постоянное электрическое смещение (индукция), т. е. замеры происходят при холостом ходе. Первая нижняя цифра показывает направление деформации, вторая направление механического напряжения [4].

д) Пьезоэлектрические постоянные

Пьезоэлектрический модуль d – отношение механической деформации к приложенному электрическому полю (Кл/Н) [2]

, (5)

• где Δx_s – изменение толщины пластины, м,
• U_s – приложенное напряжение, В

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

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

, (6)

• где U_e – полученное напряжение, В,
• d — толщина, м,
• p_x – приложенное давление, Па.

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

е) Коэффициент Пуассона

Коэффициент Пуассона – это отношение относительного поперечного сжатия к соответствующему относительному продольному удлинению [7]

, (7)

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

ж) Температурные коэффициенты

Температурный коэффициент показывает изменение различных свойств материала (резонансная частота, емкость, размеры) при изменение температуры [6]

, (8)

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

, (9)

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

, (10)

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

з) Скорость старения

Скорость старения это показатель изменения резонансной частоты и емкости со временем. Чтобы вычислить эту скорость, после поляризации электроды преобразователя соединяются вместе, и образец нагревается определенный период времени. Производятся замеры резонансной частоты и емкости каждые 2ⁿ (1,2,4 и 8) дня. Скорость старения вычисляется по следующей формуле [1]:

, (11)

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

и) Механическая добротность

Добротность – количественная характеристика резонансных свойств колебательных систем, указывающая во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду вынужденных колебаний на частоте много ниже резонансной при одинаковой амплитуде возбуждающей силы [8]. Добротность равна отношению собственной частоты ω резонансной системы к ширине Δω частотной полосы, на границах которой энергия системы при вынужденных колебаниях вдвое меньше энергии на резонансной частоте [6].

, (12)

• где Q_m – механическая добротность,
• f_r – резонансная частота, Гц,
• f_a – антирезонансная частота, Гц,
• Z_r – сопротивление при резонансе, Ом,
• С – емкость, Ф

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

к) Температура Кюри

Температура Кюри – это температура при превышение которой пьезоэлектрический материал теряет свои свойства [2].

л) Плотность

, (13)

• где ρ – плотность, кг/м³,
• m – масса, кг,
• V – объем, м³.

Большинство составов пьезокерамики основано на химических соединениях с формулой АВО₃ (напр., BaTiO₃, РbТiO₃) с кристаллической структурой типа перовскита и различных твёрдых растворов на их основе (например, системы BaTiO₃ — CaTiO₃, BaTiO₃ — CaTiO₃ — CoCO₃, NaNbO₃ — KNbO₃). Особенно широко используются в качестве пьезоэлектрических материалов составы системы РbТiO₃ — PbZrO₃ (т. н. система PZT, или ЦТС). Практический интерес представляет также ряд соединений с формулой АВ₂О₆, напр. PbNb₂O₆, имеющих весьма высокую Кюри точку (~570 °С), что позволяет создавать пьезоэлементы для работы при высоких температурах.

Рисунок 7 – Порошок для изготовления пьезоэлемента

Процесс изготовления пьезокерамики разделяется на несколько этапов. При осуществлении синтеза заданного сегнетоэлектрического соединения исходное сырье (окислы или соли, например, двуокись титана и окись бария) измельчается и смешивается в количествах, соответствующих стехиометрическому составу соединения, а затем подвергается термической обработке при температурах 900 – 1300 °С, в процессе которой происходит химический синтез. Используется также так называемый метод осаждения из водных растворов, при котором температура синтеза благодаря идеальному перемешиванию компонентов снижается до 750 – 1000 °С. Из порошкообразного синтезированного материала прессованием (а также литьём под давлением) получаются заготовки необходимой конфигурации и размеров для будущих пьезоэлементов, которые затем подвергаются обжигу по строго определенному температурному режиму, в большой степени определяющему свойства пьезокерамики. Механическая обработка детали после обжига обеспечивает ей точно заданную форму и размеры. На деталь наносятся электроды из серебра, никеля, платины и др., причем наибольшее распространение получил метод вжигания серебра. Для поляризации керамики к электродам подводится электрическое напряжение (напряжённость поля Е составляет от 0,5 до 3 кВ/мм в зависимости от химического состава и метода поляризации). С целью уменьшения напряженности поля Е при поляризации образец нагревают до температур, близких к точке Кюри (т. к. при этом домены обладают большей подвижностью), а затем медленно охлаждают в присутствии поля. Пьезокерамике свойственно т. н. старение, т. е. изменение её параметров (диэлектрической проницаемости, пьезомодулей) со временем, особенно заметное в первые несколько суток после изготовления и поляризации образцов, которое обусловлено изменением как механических напряжений на границах между зёрнами, так и величины остаточной поляризации [8].

Пьезоэлектрические материалы нашли применение в широком ряде областей, таких как медицинские инструменты, контроль промышленных процессов, системах производства полупроводников, бытовых электрических приборах, системах контроля связи, различных измерительных приборах и в других областях. Коммерческие системы, которые используют пьезоэлектрические материалы – помпы, швейные машины, датчики (давления, обледенения, угловых скоростей и т.д.), оптические инструменты, лазерные принтеры, моторы для автофокусировки камер и многие другие. При этом область применения данных материалов постоянно растет. Применение пьезоэлемента обычно сводится к четырем категориям: сенсоры, генераторы, силовые приводы, и преобразователи.

В генераторах, пьезоэлектрические материалы могут генерировать напряжение, которого достаточно для возникновения искры между электродами, и таким образом могут быть использованы как электроды для воспламенения топлива, для газовых плит и для сварочного оборудования. Альтернативно, электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектрическими элементами, может накапливаться. Такие генераторы являются превосходными твердыми аккумуляторными батареями для электронных схем.

В сенсорах, пьезоэлектрические материалы преобразуют физические параметры, такие как ускорение, давление и вибрации в электрический сигнал.

В силовых приводах, пьезоэлектрические материалы преобразуют электрический сигнал в точно контролируемое физическое смещение, четко устанавливая точность механических инструментов, линз и зеркал.

В преобразователях, пьезоэлектрические преобразователи могут, как генерировать ультразвуковой сигнал из электрической энергии, так и конвертировать приходящие механические колебания в электрические. Пьезоэлектрические приборы проектируются для измерения расстояний, скорости потока, и уровня жидкости. Преобразователи так же используются, чтобы генерировать ультразвуковые вибрации для очистки, сверления, сварки, размельчения керамики и для медицинской диагностики [1].

Библиографический список

• Ranier Clement Tjiptoprodjo. On a Finite Element Approach to Modeling of Piezoelectric Element Driven Compliant Mechanisms.- Saskatchewan, Canada.: University of Saskatchewan Saskatoon, April 2005
• Й.Крауткремер, Г.Крауткремер. Справочник. Ультразвуковой контроль материалов.-Москва.: Металлургия, 1991.
• David H. Johnson. Simulation of an ultrasonic piezoelectric transducer for NASA/JPL Mars rover.- PA, USA.: Cybersonic, Inc. of Erie, 2003.
• www.piezo.com
• ОСТ 11 0444-87 «Материалы пьезокерамические»
• Tokin. Multilayer Piezoelectic Actuators. User’s Manual, Tokin Corporate Publisher.: 1996.
• Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Т.I. Механика.- Москва.:1979.
• Голямина И.П. Ультразвук.-Москва.: из-во «Советская энциклопедия», 1979
• Jan Tichy, Jiry Erhart, Erwin Kittinger, Jana Privratska. Fundamentals of Piezoelectric Sensorics.- Heidelberg, Dordrecht, London, New York.: Springer, 2010

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

 

 

Пьезоэлектрический эффект

⇐ ПредыдущаяСтр 12 из 109Следующая ⇒

Пьезоэлектрический эффект заключается в образовании в кристаллическом ма­териале электрических зарядов при приложении к нему механических напряже­ний. Этот эффект наблюдается в природных кристаллах, таких как кварц (хими­ческая формула Si0₂), поляризованных керамических материалах и некоторых по­лимерах, например, в поливинилиденфториде. Говорят, что пьезоэлектрические материалы обладают ферроэлектрическими свойствами. Слово пьезо происходит из греческого piezen, означающего давление. Братья Кюри открыли пьезоэлект­рический эффект в кварце еще в 1880 году, но долгое время это открытие не имело почти никакого практического применения. Только в 1917 году французский про­фессор П. Лангевин использовал х-срез кварцевой пластины для возбуждения и детектирования звуковых колебаний в воде. Его открытие привело к созданию гидролокатора.

В 1927 году А. Мейснер [3] предложил упрощенную модель для объяснения пьезоэлектрического эффекта. Кристалл кварца в этой модели представлен в виде элементарных ячеек, состоящих из атомов Si и спаренных атомов 0₂ (рис. 3.21). Кварцевый кристалл имеет срезы вдоль осей х, у и z. На рис. 3.21 показано попе­речное сечение вдоль оси z- В элементарную монокристаллическую ячейку вхо­дят три атома кремния и шесть атомов кислорода. Каждый атом кремния облада­ет четырьмя положительными зарядами, а каждая пара атомов кислорода — че­тырьмя отрицательными (по два на атом). Поэтому без приложения механичес­ких напряжений кварцевая ячейка является электрически нейтральной. Когда вдоль оси х прикладывается внешняя сила F_x, кристаллическая решетка дефор­мируется. На рис. 3.21Б показано, как сдавливающая сила сдвигает атомы крис­талла таким образом, что положительный атом кремния перемещается на одну сторону решетки, а отрицательно заряженная пара атомов кислорода — на дру­гую. В результате чего вдоль оси у наблюдается перераспределение зарядов. Если кристалл растянуть вдоль оси х (рис. 3.21В), в результате деформации растяжения заряды перераспределятся вдоль оси у в противоположном направлении. Эта уп­рощенная модель показывает, как на поверхности кристаллического материала могут образовываться электрические заряды в ответ на приложенное механичес­кое воздействие. Подобное объяснение может быть дано пироэлектрическому эф­фекту, описанному в этом же разделе.

Для сбора электрических зарядов к кристаллу на противоположных сторонах от среза прикрепляют электроды (рис. 3.22). Построенный таким образом пьезоэ­лектрический датчик можно считать конденсатором, в котором в качестве диэлек­трика выступает сам кристалл, работающий как генератор электрических зарядов, приводящих к появлению электрического напряжения Кна электродах. Хотя заряд формируется только в местах приложения силы, металлические электроды вырав-

3 6 Пьезоэлектрический эффект 9 I jjj

нивают заряды вдоль всей их поверхности, лишая конденсатор избирательности. Однако, если форму электродов усложнить, можно определить точное место при­ложения внешней силы, детектируя сигналы с конкретных электродов.

 

Рис. 3.21 Пьезоэлектрический эффект кварцевого кристалла

 

Пьезоэлектрический эффект является обра­тимым физическим явлением Это означаем что приложенное к кристаллу электрическое напря­жение приводит к появлению механической де­формации Если разместить на кристалле не­сколько электродов и на одну пару из них подать напряжение, на остальных парах электродов бу­дет накапливаться заряд, сформированный из-за возникшей деформации Такой прием достаточ­но широко применяется в разных типах пьезоэ­лектрических преобразователей

Пьезоэлектрический эффект можно оце­нить через вектор поляризации [4]

Р=Р_xx + Р_vv +Р_u

где х, у и z — координатные оси обычной ортого­нальной системы, совмещенные с осями кристал­ла Слагаемые этого выражения определяются в сле­дующем виде (более полные формулы включают в себя также напряжение сдвига и соответствующие d-коэффициенты)»

 

 

(3 65)

где σ — осевое напряжение, d_mn — постоянные пьезоэлектрические коэффициен­ты вдоль ортогональных осей срезов кристалла Эти коэффициенты имеют раз­мерность Кулон/Ньютон, те единичный заряд на единицу силы

Глава 3.-коэффициента на соответствующий модуль Юнга для каждой оси кристалла. Его размерность:

 

 

Пьезоэлектрические кристаллы являются прямыми преобразователями механи­ческой энергии в электрическую. Эффективность такого преобразования может быть выражена через, так называемый, коэффициент связи к_mn

 

Эти коэффициенты являются очень важными характеристиками для случаев, где необходимо обеспечивать высокую эффективность передачи энергии, например, в акустических и ультразвуковых датчиках.

Величина заряда, генерируемого на поверхности пьезоэлектрического крис­талла, пропорциональна силе, приложенной, например, в направлении оси х.

Q_x=d₁₁F_x. (3.68)

Кристалл с нанесенными на него электродами представляет собой конденсатор, обладающий емкостью С. Напряжение на этом конденсаторе определяется следу­ющим выражением:

 

 

В свою очередь, емкость может быть представлена (см. уравнение 3.23) через пло­щадь поверхности электрода а и толщину кристалла / (здесь учитывается площадь электродов, а не самого кристалла, поскольку пьезоиндуцированный заряд на­капливается только на них):

3.6. Пьезоэлектрический эффект

где ε₀ — электрическая постоянная, а к — диэлектрическая проницаемость. Тогда выражение для напряжения принимает вид:

Производство керамических пьезодатчиков из титаната цирконата свинца (PZT) начинается с подготовки порошков оксидов металлов очень высокой чистоты (ок­сида свинца, оксида циркония, оксида титана и др.). Порошки измельчаются до требуемого состояния и тщательно перемешиваются в строго определенной хи­мической пропорции. В процессе прокаливания, проходящего при достаточно высокой температуре, компоненты полученной смеси вступают в реакцию друг с другом, образуя порошок, каждое зерно которого по химическому составу близко к требуемой композиции. Но на этой стадии порошок не имеет еще необходимой кристаллической структуры.

Следующий технологический этап — смешение прокаленного порошка с твер­дыми и/или жидкими органическими связующими компонентами (которые дол­жны быть выжжены в процессе обжига) и построение из полученной смеси струк­туры, близкой по форме реализуемому сенсорному элементу. Для этого разрабо­тано несколько методов. Перечислим некоторые из них: прессование при помо­щи гидравлического пресса, литье (заливка вязких жидкостей в специальные фор­мы и их отверждение), выдавливание через специальную форму или прокат через пару круглых валов для получения тонких листов и ленточное литье (нанесение вязких составов на гладкую движущуюся ленту).

После этого сформированная структура помещается в печь для обжига, кото­рый проводится под строгим температурным контролем. В результате этой проце­дуры все органические связуюшие компоненты выжигаются, а объем уменьшается приблизительно на 15%. Далее материал нагревается до температуры красного ка­ления и поддерживается в этом состоянии некоторое время, называемое периодом выдержки, во время которого происходят окончательные химические реакции. После охлаждения материала кристаллическая структура считается сформирован­ной. В зависимости от типа материала полное время температурной обработки мо­жет составлять порядка 24 часов. Далее на поверхность полученной структуры не­обходимо нанести контакшые электроды. Это можно сделать несколькими мето­дами. Наиболее распространенными способами являются: трафаретная печать при помощи смеси серебра и стекла с повторным обжигом, нанесение покрытия мето­дом химического восстановления в специальных реакторах и напыление (обработ­ка парами металлов в условиях низкого вакуума).

Кристаллиты (кристаллические элементарные ячейки) материала могут рас­сматриваться как электрические диполи. В некоторых материалах, таких как кварц, эти ячейки обычно ориентированы вдоль осей кристалла, поэтому такие структуры обладают достаточно высокой чувствительностью к механическому напряжению. В других материалах диполи ориентированы произвольным образом, и для того, чтобы такие структуры проявили свои пьезоэлектрические свойства, их необходи­мо предварительно поляризовать. Существуют несколько технологий поляризации.

Глава 3. Физические приципы датчиков

Самой популярной из них считается тепловая поляризация, которая состоит из следующих этапов:

1. Кристаллический материал (керамическая или полимерная пленка), в котором диполи имеют произвольную ориентацию, медленно нагревается до тем­пературы, не превышающей точку Кюри. Некоторые типы материалов (напри­мер, пленки из поливинилидин фторида (PVDF)) необходимо привести в напря­женное состояние. Высокая температура приводит к возбуждению диполей, что помогает сравнительно легко их переориентировать в требуемом направлении.

2. Материалы помещаются в сильное электрическое поле Е (рис. 3.23Б), в котором диполи выстраиваются вдоль силовых линии. При этом не происходит полного выравнивания, и многие диполи отклоняются от направления поля. Од­нако достигается статистически преобладающая одинаковая ориентация диполей

3. Материал охлаждается при одновременном воздействии на него электри­ческого поля.

4 После охлаждения материала до требуемой температуры, электрическое поле устраняется, и процесс поляризации считается законченным. Пока поляри­зованный материал находится при температуре ниже температуры Кюри, он со­храняет свои поляризационные свойства Диполи поддерживают ориентацию, полученную при высокой температуре в электрическом поле (рис 3 23В).

 

(А) (Б) (В)

Рис. 3.23. Тепловая поляризация пьезоэлектрических и пироэлектрических ма­териалов

Другим методом поляризации является метод коронного разряда, применяе­мый при производстве полимерных пьезо/пироэлектриков Полимерная пленка подвергается воздействию коронного разряда Величина разряда достигает не­сколько миллионов вольт на сантиметр толщины пленки, и его действие продол­жается 40-50 секунд [5, 6| Это достаточно простои способ поляризации, который может проводиться при комнатной температуре.

Последними операциями при изготовлении чувствительного элемента явля­ются придание ему требуемой формы и чистовая обработка, которые включают себя обрезку, механическую обработку и шлифование. По окончании последних процедур обработки чувствительный пьезо (пиро) элемент вставляется в корпус датчика, где его электроды соединяются с электрическими выводами и другими электронными компонентами.

После поляризации кристаллы становятся постоянно поляризованными, но элек­трически заряженными они остаются только сравнительно короткий промежуток

3.6. Пьезоэлектрический эффект

времени. Это объясняется тем, что в окружающей среде находится много заряжен­ных ионов, а также достаточное количество свободных носителей зарядов содер­жится внутри самого материала, которые могут передвигаться под действием элек­трического поля, и эти свободные заряды, приближаясь к соответствующим кон­цам диполей, нейтрализуют их (рис. 3.23В). Поэтому вскоре поляризованный пье-зоматериал становится электрически разряженным и удерживается в этом состоя­нии в течение всего времени, пока находится в стационарных условиях.-коэффициенты) зависит от температуры. Для некоторых материалов (например, кварца) чувствительность падает с ростом температуры со скоростью —0.016%/°С. Для других пьезоэлектри­ков таких как пленки PVDF и керамики, при температурах до 40°С d-коэффициен­ты уменьшаются, а при более высоких температурах — растут. В настоящее время самыми популярными материалами для изготовления пьезоэлектрических датчи­ков являются разные типы керамики [7-9]. Одним из самых первых ферроэлектри-ческих керамических материалов был титанат бария, обладающий поликристалли­ческой структурой и следующей химической формулой: ВаТЮ₃. Стабильность по­ляризации обеспечивается за счет действия коэрцитивных сил диполей. В некото­рых материалах с течением времени происходит уменьшение поляризации. Для сни­жения этого эффекта в основной материал вводятся дополнительные добавки, цель которых заключается в «запирании» диполей в определенном положении [4]. И пье­зоэлектрическая константа, и диэлектрическая проницаемость материала к зави­сят от рабочей температуры. Поскольку эти величины входят в формулу (3.71): одна в числитель, другая в знаменатель, их изменения будут взаимно уничтожаться, что приведет к повышению стабильности выходного напряжения Vb широком темпе­ратурном диапазоне.

Пьезоэлектрические элементы могут использоваться либо в форме монокристал­ла, либо в виде многослойной структуры, в которой отдельные пластины соединяются вместе при помощи электродов, размещенных между ними. На рис. 3.24 показан двух­слойный датчик силы. Когда к этому датчику прикладывается внешняя сила, одна из его частей расширяется, в то время как другая сжимается, что при корректном включе­нии приводит к удвоению выходного сигнала. Двойные сенсоры могут включаться либо параллельно, как показано на рис. 3.25А, либо последовательно — рис. 3.25В. Электри­ческая эквивалентная схема пьезоэлектрического датчика представляет собой парал­лельное соединение сопротивления утечки r, емкости С и источника тока i’, индуциро­ванного механическим напряжением. В зависимости от типа соединения слоев экви­валентные схемы сдвоенных датчиков будут соответствовать рис. 3.25Б и рис. 3.25Г. Сопротивление утечки, как правило, является очень большим (порядка Ш’МО¹⁴ Ом),

96 Глава 3 Физические приципы датчиков

это значит, что датчик обладает чрезвычайно высоким выходным импедансом. Поэтому для согласования с последующими электронными цепями необходимо ис­пользовать специальные интерфейсы, представляющие собой преобразователи за­ряда/гока в напряжение или усилители напряжения, имеющие высокие входные со­противления.

Рис. 3.25 Параллельное (А) и последовательное (В) соединения слоев в пьезоэ­лектрическом датчике и их соответствующие эквивалентные схемы (Б и Г)

Поиск по сайту:

Пьезоэлектрический эффект, применение в науке и технике

Введение.

 

Пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) состоит в том, что при механических деформации некоторых кристаллов в определённых направлениях на их гранях появляются электрические заряды противоположных знаков. Пьезоэффект наблюдается в кварце, турмалине, сегнетовой соли, титанате бария, цинковой обманке и других веществах. Пьезоэлектрический эффект в кварце происходит вдоль электрических осей X1, X2, X3 кристалла, перпендикулярных к его оптической оси Z. Обращение направления деформации кристалла изменяет знаки зарядов на поверхностях на противоположные. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении линейных размеров некоторых кристаллов под действием электрического поля. Изменение направления электрического поля вызывает изменение характера деформаций на противоположный. Этот эффект имеет большое значение для получения ультразвука (см. Пьезоэлектрические излучатели).

 

Пьезоэлектрики — это такие кристаллы, в которых под влиянием однородной деформации возникают дипольный момент, а значит, и электрическое поле, пропорциональные деформации. Наличие пьезоэлектрических свойств тесно связано с симметрией кристалла.

Пьезоэлектрический эффект.

 

Пьезоэлектрический эффект существует в целом ряде полупроводников — CdS, Zn0, GaAs, InSb, Те и др. Большинство опытов, в особенности на первом этапе, было проведено на CdS — этот полупроводник является довольно сильным пьезоэлектриком и в то же время фотопроводником (т. е. изменяет свою проводимость при освещении). Поэтому в нем, как уже говорилось, легко можно отделять электронные эффекты.

Если в пьезоэлектрике распространяется звук, т. е. волна деформации, то она сопровождается электрическими полями, обладающими пространственной и временной периодичностью звуковой волны. Эти поля продольные, т. е. параллельные направлению распространения звука. Можно сказать, что в пьезоэлектриках всякая звуковая волна сопровождается волной продольного электрического поля (его будем называть пьезоэлектрическим полем). В качестве оценки напряженности этих полей можно привести следующую цифру: при распространении звука в таком сильном пьезоэлектрике, как CdS, при плотности потока звуковой энергии S порядка 1 Вт/см2 амплитуда напряженности переменного поля может достигать нескольких сотен вольт на сантиметр.

Выясним теперь, как влияет пьезоэлектрический эффект на распространение звука в пьезодиэлектриках. Пусть продольный или поперечный звук распространяется в пьезодиэлектрике вдоль оси симметрии кристалла, которую назовем осью ОХ. Деформация в такой волне характеризуется величиной du/dx, где и{х) — смещение точки кристалла в звуковой волне. В непьезоэлектрическом кристалле при такой деформации возникает упругое напряжение.

А что будет с электронами в полупроводнике? Они перераспределятся в пространстве, стремясь стечь с потенциальных «горбов» и заполнить потенциальные «ямы». При этом уменьшится первоначальный потенциал (φ0, или, как говорят, произойдет его экранирование электронами проводимости). Поэтому первый вопрос, который следует решить: как перераспределяются электроны в поле потенциала, и каким образом они его будут экранировать? Для решения этого вопроса следует выяснить, как нужно описывать движение электрона в поле звуковой волны. Это существенно зависит от того, какова величина соотношения между длиной звуковой волны 2л/q и длиной l свободного пробега электронов какова величина параметра ql. Этот параметр играет центральную роль в теории акустических свойств проводников; при различных его значениях электроны по-разному взаимодействуют со звуком. Обычно в пьезоэлектрических полупроводниках ql «1, поэтому пока ограничимся рассмотрением этого случая. В чистых металлах при низких температурах может выполняться противоположное неравенство. Об этом пойдет речь в следующей главе.

 

Пьезоэлектрический эффект, применение в науке и технике.

Патент США N3239283. Американские изобретатели Дж.Броз и В.Лаубердорфер разработали конструкцию подшипника, в котором трение уничтожается вибрацией, но для ее создания не требуется специальных механизмов. Втулки подшипника изготовляются из пьезоэлектрического материала. Ток заставляет пьезоэлектрик сжиматься и расширяться, создавая вибрацию, уничтожающую трение.

Установка на реактивных самолетах пьезопреобразователей позволяет экономить почти треть топлива, которое шло на выработку электроэнергии, следовательно, позволяет увеличить дальность полета. Здесь в электроэнергию непосредственно превращаются колебания и вибрация фюзеляжа и крыльев.

Фирма «Филипс» успешно разрабатывает идею пьезоэлектрического привода для механизмов малой мощности. В частности, ею создан светофор, батареи которого заряжаются от шума автомобилей на перекрестке.

Поговаривают о создании звукоизолирующих перегородок многоквартирных домок из пьезоэлектриков. Здесь двойной эффект и поглощение шума, и выработка электроэнергии, скажем, для обогрева квартир.

 

Пьезоэлектрическая струйная печать

 

Пьезоэлектрические струйные головки для принтеров были разработаны в семидесятых годах. В большинстве таких принтеров избыточное давление в камере с чернилами создается с помощью диска из пьезоэлектрика, который изменяет свою форму (выгибается) при подведении к нему электрического напряжения. Выгнувшись, диск, который служит одной из стенок камеры с чернилами, уменьшает ее объем. Под действием избыточного давления жидкие чернила вылетают из сопла в виде капли.

Пионер пьезоэлектрической технологии — фирма Epson — не смогла успешно соревноваться в объеме продаж со своими конкурентами Canon и Hewlett-Packard из-за сравнительно высокой технологической стоимости пьезоэлектрических печатающих головок — они дороже и сложнее, чем пузырьковые печатающие головки.

 

Зажигалка бытовая пьезоэлектрическая ЗП-1 «Толнэ».

 

Зажигалка предназначена для зажигания газа в горелках бытовых газовых приборов.
Источником получения искры является пьезоэлемент.
Нажатием на клавишу усилие сжатия передается на пьезоэлементы, в результате чего происходит искрообразование между контактами, расположенными внутри металлической насадки, надетой на удлиненный конец пьезозажигалки.
Искра, которая поджигает газ, образуется как при нажатии на клавишу, так и при отпускании ее.
Современный дизайн может сделать зажигалку “изюминкой” кухонного интерьера.

 

Пьезоэлектрические излучатели применяются для генерирования ультразвука с частотами до 50 Мгц. Основным элементом пьезоэлектрического излучателя является пластинка из пьезоэлектрика, совершающая вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта вынужденные механические колебания в переменном электрическом поле.

Исследование свойств пьезоэлектриков используемых в производстве бытовой техники

Исследование свойств пьезоэлектриков используемых в производстве бытовой техники

4.1 Цель работы: Исследование зависимости поляризованности пьезоэлектрика от механического напряжения на его гранях.

4.2 Теоритические исследования:

Пьезоэлектрики- это материалы, обладающие сильно выраженным пьезоэффектом. Пьезоэлектрики  относятся к категории так называемых активных диэлектриков.

В основе работы пьезоэлектриков лежит явление прямого и обратного пьезоэлектричекого эффекта.

Прямой пьезоэлектрический эффект- явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений:

                                       Q=dF

Где Q –заряд на гранях пьезоэлектрика ;

d- пьезомодуль;

F- сила, воздействующая на грани диэлектрика.

Обратный пьезоэлектрический эффект- изменение размеров диэлектрика при помещение его в электрическое поле:

∆  I/I=δ=De

где I-значение линейного размера;

δ- Относительная деформация

E— Напряженность электрического поля.

 Пои изменении величины  усиления, воздействующей на поверхностьпьезоэлектрика заряд на его поверхностях изменяется по линейному закону. В свою очередь,  величина и знак изменение линейных размеров пьезоэлектрика линейно зависят от величины напряженности электрического поля.

Различают продольный и поперечный пьезоэлектрические эффекты.

Продольный пьезоэлектрический эффект- эффект,Ю при котором возникновение зарядов на противоположных поверхностях пластины происходит в направлении приложение механических усилий при прямом пьезэффекте, деформация происходит в направлении силовых линий электрического поля .

Поперечный пьезоэлектрический эффект- эффект, при котором направление  механических усилий и зарядов при прямом пьезоэффекте и направления деформации и силовых линий электрического поля при обратном пьезоэффекте, взаимно перпендикулярны.

Условиями существования пьезоэлектрического эффекта являются:

— пьезоэлектриками моут быть ионные или сольнополярные диэлектрики;

-отсутствие центра симметрии кристалла;

-высокое удельное сопративление материала.

Поскольку любой диэлектрик, в то числе пьезоэлектрик обладает конечной величиной  токов утечки, то при приложении механического усилия на поверхность пьезоэлектрика поисходит постепенная компенсация заряда на поверхности пластины.

Поэтому, явление прямого пьезоэлектрического эффекта проявляетсялишь в течении некоторого  малого промежутка времени. Поэтому, приминения пьезоэффекта возможно лишь при использованиидинамической механической нагрузки, например, в головках звукоснимателей грампластинок.

В электронных аппаратох типы пьезоэлектриков:

-монокристалический кварц;

-сульфат лития;

-сегнетовая соль;

-дигидгофасфат;

-ниобат и танталат лития;

-пьезокерамика.

Наибольшее  распостранение получили монокристалический кварц и  пьезокерамика.

Области применения монокристалическов:

— пьезоэлектрические резисторы;

-ультразвуковые излучатели в широком диапазоне частот для целей гидроакустики, дефектоскопии, механической робработки материалов.

-микрофоны, телефоны, громкоговорители;

датчики ускорения, давления, механической деформации;

-линии задержки, пьезотрансформаторы.

4.3 Описание лабораторной установки

Для выполнения лабораторной работы применяется лобораторный макет, предназначенный для исследования прямого пьезоэлектрического эффекта.

Особенностью лабораторной установки является то, что необходимо при проведении эксперимента обеспечить воздействие переменой механической нагрузки на объект  исследования- пьезоэлектрическую пластину.

Для этого исследуемая пластина подвергается воздействию синусоидально  изменяющегося давления со стороны головки динамической 0,5ГДШ-1. колебание мембраны динамической головки генерируется путем подачи на ее контакты сигнала с генератора синусоидального напряжения. Величина напряжения на  контактах головки динамической определяет величину механического воздействия на поверхность пластины.

PPT — Презентация PowerPoint с пьезоэлектрическим эффектом, бесплатная загрузка

Пьезоэлектрический эффект • Возникновение электрического потенциала на определенных гранях кристалла, когда он подвергается механическому давлению • Слово происходит от греческого слова «пьезеин», что означает «Прессовать» • Обнаружен в 1880 году Пьером Кюри в кристаллах кварца. • И наоборот, когда электрическое поле приложено к одной из граней кристалла, он подвергается механическому искажению. • Примеры — Кварц, титанат бария, турмалин

Внутренняя обработка • Эффект объясняется смещением ионов в кристаллах, которые имеют несимметричную элементарную ячейку • Когда кристалл сжимается, ионы в каждой элементарной ячейке смещаются, вызывая электрическую поляризацию элементарной ячейки.• Из-за регулярности кристаллической структуры эти эффекты накапливаются, вызывая появление разности электрических потенциалов между определенными гранями кристалла. • Когда к кристаллу прикладывается внешнее электрическое поле, ионы в каждой элементарной ячейке смещаются электростатическими силами, что приводит к механической деформации всего кристалла.

Пьезоэлектричество • Смещение электрического заряда из-за отклонения решетки в естественном пьезоэлектрическом кристалле кварца • Большие кружки представляют атомы кремния, а меньшие — кислород.• Кристаллы кварца — один из самых стабильных пьезоэлектрических материалов.

Искусственные материалы • поликристаллические пьезокерамика — это искусственные материалы, которые вынуждены становиться пьезоэлектрическими за счет приложения большого электрического поля. • высокая чувствительность к заряду • доступны материалы, работающие при 1000 F (540 C) • характеристики зависят от температуры

Конфигурации • Красный указывает на кристалл • Стрелки указывают направление приложенной силы • конструкция сжатия отличается высокой жесткостью, что делает Это полезно для реализации в высокочастотных датчиках давления и силы.

Серый тестовый состав. • Красные пьезоэлектрические кристаллы • Синий корпус датчика • Черный электрод — это место, где накапливается заряд кристаллов, прежде чем он будет кондиционирован желтой микросхемой. • Датчики давления используют диафрагму для сбора давления, которое представляет собой просто силу, приложенную к площади.

Обработка сигнала • Сигналы от датчиков могут обрабатываться микроэлектрической схемой либо внутри, либо снаружи. • Кондиционирование включает преобразование сигнала в напряжение с низким импедансом, усиление и фильтрацию.

Датчик давления • Типичный кварцевый датчик со встроенной микроэлектрической схемой и диафрагмой. • Эти датчики измеряют динамическое давление и обычно не используются для измерения статического давления. • Правильная и точная юстировка датчика очень важна для более высокой чувствительности. • Датчики, используемые в условиях высоких температур (например, в камере сгорания двигателя), используют либо монтаж в углублении, либо диафрагму с перегородками, либо термозащитные покрытия для уменьшения воздействия негативного сигнала.

Имеют высокое значение жесткости и обеспечивают высокую производительность при очень малой деформации . Идеально подходит для эксплуатации в тяжелых условиях. Превосходная линейность в широкой амплитуде. Идеально подходит для интеллектуальных систем непрерывного онлайн-мониторинга состояния. Может использоваться только для измерения динамического давления, так как в случае статического измерения сигналы затухают. Работа с длинными кабелями может повлиять на частотную характеристику и внести шум и искажения, кабели должны быть защищены. За и против

Типичное применение — мониторинг горения • Давление, возникающее в процессе сгорания, непрерывно измеряется датчиками, установленными на головках цилиндров.• Системы непрерывного контроля давления (CPM) — это базовые программные и аппаратные средства сбора и обработки данных.

CPM — Характеристики • Непрерывное обновление пикового давления, местоположения пика и стандартного отклонения пикового давления • Непрерывные расчеты качества сгорания и баланса двигателя. • Последовательная связь с SCADA (системами диспетчерского управления и сбора данных. • Текущие тенденции отображаемых значений.

Система CAPA ) • Использует анализатор давления PMI (пьезоэлектрический) для отображения параметров двигателя в реальном времени с помощью дисплеев P-V.• Давление рассчитывается на основе выходных сигналов датчика, а объем получается с помощью усовершенствованного датчика угла поворота коленчатого вала, который показывает положения кривошипа, из которых рассчитывается смещенный объем. • Экспертные системы отправляют сигналы для приведения в действие других контроллеров (электронных регуляторов, топливных насосов, клапанов выхлопа, лубрикаторов и т. Д.) Для обеспечения оптимальной производительности в реальном времени. • Каждый блок управления имеет вычислительную мощность для обработки сигналов и, соответственно, выдачи выходных данных для отдельного привода для непрерывного изменения различных настроек параметров.

Диаграмма P-V • Пример отображения диаграммы P-V в ОС Windows. • Соответствующие диаграммы ВМТ также могут быть получены для наблюдения за характеристиками зажигания.

Индикатор пикового давления в ВМТ, обеспечивает характеристики зажигания . • Дисплей для 4-х агрегатного двигателя. Выходные сигналы от этих датчиков передаются на другие контроллеры, чтобы активировать и регулировать настройки критических параметров для достижения эффективного сгорания.

WINS PDD • WINS PDD (система прогнозирования данных беспроводной интегрированной сетевой системы) — это комплексное сетевое решение, обеспечивающее непрерывный диагностический мониторинг транспортных средств на основе технологии WINS корпорации Sensoria. • Решение WINS PDD обеспечивает беспрецедентный уровень доступа к автомобилям для анализа их характеристик, надежности и состояния обслуживания.

Sensoria –WINS Network • Состоит из сетевых маршрутизаторов, точек доступа в Интернет и продуктов для электронной связи • Беспроводные интегрированные сетевые системы (WINS) позволяют сетям обеспечивать подключение к автомобилю, дому и внутри него, а также контролировать оборудование и процессы.

Сетевые маршрутизаторы — это процессоры реального времени, встроенные в автомобили и активы , которые создают безопасный сетевой мост между несколькими встроенными сетями и глобальными сетями, включая Интернет. • Точки доступа к Интернету представляют собой маршрутизаторы данных и серверы связи в реальном времени, которые связывают встроенные сетевые маршрутизаторы с Интернетом или корпоративной сетью через локальный радиочастотный модем Sensoria 2,4 ГГц. • Продукты электронного обслуживания включают WINS-сервер на базе Windows NT, базу данных WINS на базе Microsoft SQL Server.Сервер WINS отвечает за управление всей сетью и обеспечение доступа в Интернет к базе данных WINS.

IDB-C является первым из семейства автомобильных сетей, и ожидается, что будет развернут в каком-то модельном году 2002 транспортных средств. Устройства, совместимые с IDB-C, скоро выйдут на рынок. • Справочная платформа IDB-C обеспечивает аппаратный интерфейс между различными интегрируемыми носителями. • Эталонная платформа Sensoria IDB-C — эталонная платформа AMI-C (автомобильный мультимедийный интерфейс), используемая для разработки эталонных драйверов IDB-C, доступных как часть спецификации AMI-C.

Характеристики оборудования • 16-разрядный процессор Infineon C164CI • Тактовая частота 20 МГц • 256 КБ SRAM • Флэш-память 256 КБ • Контроллер CAN 2.0B • Скорость необработанных данных 250 кбит / с • Интерфейс RS-232 • 115,2 кбит / с UART • DB-9 последовательный интерфейс • 3-канальный интерфейс LISA • Левый, правый и микрофонный каналы • Дополнительный предусилитель для микрофона

В конце концов, отрицательный пьезоэлектрический эффект не так уж и редок

Сравнение сегнетоэлектрических материалов, некоторые из которых проявляют отрицательный продольный пьезоэлектрический эффект.Подчеркнуты материалы с усиленным давлением сегнетоэлектриком. Предоставлено: Лю и др. © Американское физическое общество, 2017 г.

(Phys.org) — Пьезоэлектрический эффект, который заставляет материал расширяться в направлении приложенного электрического поля, распространен во многих материалах и используется в различных технологиях, от медицинского ультразвука до электроники с вибрацией. Но отрицательный пьезоэлектрический эффект, при котором материал сжимается, а не расширяется в направлении приложенного электрического поля, считается редкой и нелогичной аномалией, и ей уделяется мало внимания.

Теперь в новой статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters , физики Ши Лю и Р.Е. Коэн из Научного института Карнеги в Вашингтоне, округ Колумбия, определили 93 материала, которые проявляют отрицательный пьезоэлектрический эффект, показывая, что он встречается гораздо чаще. чем считалось ранее. Они также исследовали источники отрицательного пьезоэлектрического эффекта, который может привести к разработке новых пьезоэлектрических устройств.

«Отрицательный продольный пьезоэлектрический эффект в прошлом не был хорошо изучен», — сказал Коэн Phys.org . «Наша работа является первой работой по систематическому исследованию механизма отрицательного пьезоэлектрического эффекта. Воспользовавшись тщательно подобранной базой данных материалов с открытым исходным кодом, размещенной в рамках проекта Materials Project, мы можем быстро идентифицировать около 100 материалов, обладающих этот необычный отклик буквально в течение нескольких минут Эта работа подчеркивает, как подробные квантово-механические расчеты и информатика материалов могут работать вместе, чтобы ускорить открытие и проектирование материалов.«

Как объяснили исследователи, пьезоэлектричество содержит два компонента: вклад фиксированных ионов, который является чисто электронным, и вклад внутренней деформации, который возникает в результате микроскопической атомной релаксации.

В новом исследовании физики обнаружили, что ключевое различие между обычными и отрицательными пьезоэлектрическими материалами заключается в том, какой вклад больше. В обычных пьезоэлектриках преобладает вклад внутренней деформации, в то время как в отрицательных пьезоэлектриках преобладает отклик фиксированных ионов, что указывает на наличие сильных ионных связей и небольших атомных релаксаций в этих материалах.

Затем исследователи провели поиск в существующей базе данных, содержащей почти 1000 пьезоэлектрических материалов, и выявили 93 соединения, обладающих доминирующим компонентом зажатого иона, отметив их как отрицательные пьезоэлектрики.

В своем анализе физики также обнаружили еще одну необычную характеристику отрицательных пьезоэлектрических материалов, а именно то, что высокое давление увеличивает их сегнетоэлектричество. Это противоположно тому, что наблюдается в обычных пьезоэлектрических материалах, где высокое давление вызывает уменьшение сегнетоэлектричества.Исследователи надеются, что это усиленное давлением сегнетоэлектричество отрицательных пьезоэлектрических материалов может привести к разработке новых устройств.

«Эта работа иллюстрирует силу теории и информатики вместе, и мы (и другие) можем использовать этот подход, чтобы найти другие новые виды интересных материалов», — сказал Лю. «Что касается пьезоэлектриков, мы надеемся, что эта работа вдохновит на экспериментальные исследования отрицательного продольного пьезоэлектрического эффекта. Наши коллеги работают над синтезом некоторых соединений с отрицательным пьезоэлектрическим откликом, которые мы предложили в статье.Также будет очень интересно исследовать, что произойдет, если мы создадим систему композитных материалов с чередованием слоев обычных пьезоэлектриков с положительным откликом и слоями с отрицательным откликом. Когда вы включаете электрическое поле, некоторые слои расширяются, а некоторые сжимаются. Такая конкуренция может привести к необычной физике и потенциально открыть новые приложения ».

---

Тонкие пленки пьезоэлектрика, не содержащего свинца, наконец, соответствуют характеристикам стандарта, содержащего свинец.

---

Дополнительная информация: Ши Лю и Р.Э. Коэн. «Происхождение отрицательного продольного пьезоэлектрического эффекта». Письма о физических проверках . DOI: 10.1103 / PhysRevLett.119.207601
Также в arXiv: 1708.07240 [cond-mat.mtrl-sci]

© 2017 Phys.org

Ссылка : Ведь отрицательный пьезоэффект — не такая уж редкость (2017, 30 ноября) получено 14 ноября 2020 с https: // физ.org / news / 2017-11-negative-piezoelectric-effect-rare.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Пьезоэлектрический принцип

Активный элемент акселерометра — пьезоэлектрический материал.Рисунок 1 иллюстрирует пьезоэффект с помощью компрессии диск. Компрессионный диск выглядит как конденсатор с пьезокерамикой. материал зажат между двумя электродами. Сила, приложенная перпендикулярно к диску вызывает образование заряда и напряжение на электродах.

Рисунок 1: Пьезоэлектрический эффект, основные расчеты

Чувствительный элемент пьезоэлектрического акселерометра состоит из двух основные части:

• Пьезокерамический материал
• Сейсмическая масса

Одна сторона пьезоэлектрического материала соединена с жесткой стойкой у основания датчика.Так называемая сейсмическая масса прикреплена к другому боковая сторона. Когда акселерометр подвергается вибрации, создается сила который действует на пьезоэлектрический элемент (сравните Рисунок 2). В соответствии согласно закону Ньютона эта сила равна произведению ускорения и сейсмическая масса. Благодаря пьезоэлектрическому эффекту выход заряда пропорционален приложенной силе. Поскольку сейсмическая масса постоянна выходной сигнал заряда пропорционален ускорению масса.

Рисунок 2: Принцип пьезоэлектрического акселерометра

В широком диапазоне частот как база датчика, так и сейсмическая масса та же величина ускорения. Следовательно, датчик измеряет ускорение тестового объекта.

Пьезоэлемент подключается к разъему датчика через пара электродов. Некоторые акселерометры оснащены встроенным электронным схема, которая преобразует выход заряда с высоким импедансом в низкоомный сигнал напряжения.

В пределах полезного диапазона рабочих частот чувствительность не зависит частоты, помимо упомянутых ниже ограничений.

Пьезоэлектрический акселерометр можно рассматривать как механический низкочастотный. с резонансным пиком. Сейсмическая масса и пьезокерамика (плюс другие «гибкие» компоненты) образуют систему пружинных масс. Он показывает типичный резонансное поведение и определяет верхний предел частоты акселерометра.Для достижения более широкого диапазона рабочих частот резонансный частоту следует увеличить. Обычно это делается за счет уменьшения сейсмическая масса. Однако чем ниже сейсмическая масса, тем ниже чувствительность. Поэтому акселерометр с высокой резонансной частотой, например ударный акселерометр будет менее чувствительным, тогда как сейсмический акселерометр с высокой чувствительностью имеет низкую резонансную частоту.

На рисунке 3 показана типичная частотная характеристика акселерометра. когда его возбуждает постоянное ускорение.

Рисунок 3: Кривая частотной характеристики

Из этой кривой можно определить несколько полезных частотных диапазонов:

• Примерно на 1/5 резонансной частоты отклик датчик 1.05. Это означает, что измеренная ошибка сравнивалась на более низкие частоты — 5%.
• Примерно на 1/3 резонансной частоты погрешность составляет 10 %. По этой причине следует учитывать «линейный» частотный диапазон. ограничивается 1/3 резонансной частоты.
• Предел 3 дБ с погрешностью примерно 30% достигается при примерно половина резонансной частоты.

Нижний предел частоты в основном зависит от выбранного предусилителя. Часто это можно отрегулировать. С усилителями напряжения низкая частота предел является функцией постоянной времени RC, формируемой акселерометром, кабель и входная емкость усилителя вместе с входом усилителя сопротивление.

Перейти к главе Акселерометр Конструкции

Определение пьезоэлектрического эффекта

Электромагнетизм Электромеханические эффекты Пьезоэлектричество

Что такое пьезоэлектрический эффект?

Пьезоэлектрический эффект относится к изменению электрической поляризации, которое возникает в определенных материалах, когда они подвергаются механическим напряжениям.Это зависящее от напряжения изменение поляризации проявляется как измеримая разность потенциалов в материале. Это явление, называемое прямым пьезоэлектрическим эффектом , наблюдается во многих естественных кристаллических материалах, включая кварц, соль Рошеля и даже человеческую кость. Технические материалы, такие как ниобат лития и цирконат-титанат свинца (PZT), демонстрируют более выраженный пьезоэлектрический эффект.

Важно отметить, что это явление обратимо.Обратный пьезоэлектрический эффект относится к деформации этих материалов, которая возникает в результате приложения электрического поля. Деформация может привести либо к растягивающим, либо к сжимающим деформациям и напряжениям в материале в зависимости от направления электрического поля, предпочтительного направления поляризации в материале и того, как материал соединяется с другими смежными структурами.

Области применения

Приводы и датчики

Пьезоэлектрические материалы широко используются в компактных приводах, таких как линейные двигатели, роторные двигатели и насосы.Они также используются в датчиках, таких как тензодатчики, датчики давления, акселерометры и гироскопы. Новые конструкции исполнительных механизмов и датчиков могут включать в себя композиты со встроенными пьезоэлектрическими материалами, которые демонстрируют связанную структурную деформацию в различных режимах, например, в устройстве для гибки сдвига и , где деформация сдвига встроенного пьезоэлектрического материала вызывает значительную деформацию изгиба композитной структуры.

Акустика

В акустических преобразователях используются пьезоэлектрические материалы для генерации звуковых волн.Под воздействием гармонически изменяющегося электрического поля вибрирующий пьезоэлектрический материал создает попеременное сжатие и разрежение в окружающей текучей среде, что приводит к образованию звука. Этот принцип используется в миниатюрных динамиках в портативных электронных устройствах, медицинских ультразвуковых устройствах и преобразователях SONAR, таких как преобразователь Tonpilz.

No related posts.