Пьезоэлемент что это такое: Пьезогенераторы. Устройство и работа. Особенности и применение

Пьезогенераторы. Устройство и работа. Особенности и применение

С развитием технологий человечество начинает расходовать все меньше энергии понапрасну. Появились солнечные панели, ветровые электростанции, солнечные концентраторы, пьезогенераторы, суперконденсаторы и иные устройства, которые помогают людям получать альтернативную энергию и сохранять ее. Большинство из этих устройств уже используются в повседневной жизни.

Но наука не стоит на месте, в скором времени можно будет получать энергию с помощью повседневных и малозначительных движений. Это можно будет сделать при помощи пьезогенераторов. Ее вполне хватит, чтобы быстро зарядить телефон или плеер. Могут появиться и такие пьезогенераторы, которые будут подзаряжать, к примеру, наручные часы при помощи возбуждения, которое передается сердцебиением.

Устройство

В последние годы было создано несколько опытных образцов пьезогенераторов для различного применения. Они могут быть объединены в два различных класса, которые отличаются по типу колебаний, продольных и поперечных.

Пьезогенератор, работающий по продольной схеме колебаний. В данном устройстве одиночный пьезоэлемент монтируется в подкладку обуви, он позволяет генерировать определенную мощность энергии при быстром передвижении, к примеру, при беге человека. Данное устройство изобретено в техническом университете Луизианы и был выполнен в виде специального спирального пластинчатого пьезоэлемента.

На данный момент обеспечить надежность и долговечность подобного устройства затруднительно в виду хрупкости пьезокерамического материала. Однако данная идея может оказаться продуктивной при использовании гибких пьезополимерных пластин. Но подобные материалы на данный момент находятся на стадии исследований.

Не менее перспективны пьезогенераторы, работающие на изгибных колебаниях. Они также могут отличаться своей конфигурацией и конструктивным исполнением.

Для источников питания сравнительно большой мощности созданы опытные образцы макропьезогенераторов самых разных конструкций. К самым продвинутым разработкам подобного класса устройств можно отнести экспериментальную систему накопителей энергии, созданную на основе пьезогенераторов, которые вмонтированы в настил пола у билетных терминалов на входе в станции метро Marunouchi (Токио).

Известно устройство взрывного пьезогенератора, который включает:

• Устройство инициирования:
• Генератор ударной волны:
• Пьезоэлектрический преобразователь, выполненный из набора пьезопластин, соединенных параллельно:
• Электроды, которые нанесены на противоположные грани пьезопластин, расположены перпендикулярно выходной поверхности генератора ударной волны:
• Блок пьезопластин размещен в цилиндрический объем, у которого торцевая часть совпадает с поверхностью генератора ударной волны:
• Генератор ударной волны выглядит как аксиально симметричная конструкция, она выполнена из слоя взрывчатого вещества, конического алюминиевого лайнера и конической алюминиевой крышки.

Принцип действия

Пьезоэффект, который применяется в пьезогенераторах, заключается в том, что в устройстве имеется специальный диэлектрик, к которому прикладываются механические напряжения. В результате диэлектрик на двух разных концах создает разницу потенциалов. В итоге, создавая давление на подобный пьезоэлемент, можно на выходе получить электрическое напряжение определенной величины.

Пьезоэффект также может вызывать и обратное преобразование, то есть обеспечить превращение электрической энергии в механическую, к примеру, для создания звуковых излучателей. По типу применяемого соотношения между вектором поляризации пьезоэлемента и направлением механических колебаний пьезогенераторы можно разделить на классы с поперечным и продольным направлением механического воздействия.

Если рассматривать физику процессов, которые происходят в пьезоэлектрике, подробней, то все выглядит довольно просто. Для этого нужно только понимать принципы генерации энергии пьезоэлектрическими материалами:

• При механическом воздействии на пьезоэлемент наблюдается смещение атомов в его материале, то есть в несимметричной кристаллической решетке.
• Данное смещение приводит к появлению электрического поля, которое приводит к индукции зарядов на электродах пьезоэлемента.

В отличие от стандартного конденсатора, обкладки которого способны сохранять заряды весьма долго, индуцированные заряды пьезогенератора сохраняются до момента, пока не перестает действовать механическая нагрузка. Именно в течение данного периода от элемента можно получать энергию. Как только нагрузка снимается, индуцированные заряды исчезают.

Явление пьезоэлектричества открыто братьями Пьером и Джексоном Кюри в 1880 году, с того времени оно широкое распространение в измерительной технике и радиотехнике. Термин «пьезогенераторы» характеризует лишь направление преобразования энергии, а не эффективность превращения. Именно с явлением, связанным с генерацией электричества в случае механического воздействия, заинтересовались инженера и изобретатели в последние годы.

Начали появляться сообщения о возможностях получения электрической энергии при помощи воздействия разной механической энергии:

• Движение волн и ветра.
• Воздействие уличного шума.
• Нагрузки от перемещения машин и людей.
• Сердцебиение и так далее.

На основе всех этих вариантов стали придумываться различные изобретения. Многие из них уже нашли применение, а некоторые на данный момент находятся в планах, так как технологии не достигли требуемого уровня.

Применения и особенности

На текущий момент известно несколько вариантов практического применения пьезогенераторов в:

• Пьезозажигалках с целью высокого напряжения на специальном разряднике от движения пальца. Сегодня любой курильщик может носить в кармане собственную «электростанцию».
• Качестве чувствительного элемента в приемных элементах сонаров, микрофонах, головках звукоснимателя электрофонов, гидрофонах.
• Контактном пьезоэлектрическом взрывателе, к примеру, к выстрелам гранатомета РПГ-7.
• Датчиках в виде чувствительного к силе элемента, к примеру, датчиках давления газов и жидкостей, силоизмерительных датчиках и так далее.

Обратный пьезоэлектрический эффект может применяться в:

• Пьезокерамических излучателях звука, к примеру, музыкальные открытки, всевозможные оповещатели, которые используются в самых разных бытовых устройствах от стандартных наручных часов до техники на кухне.
• Системах сверхточного позиционирования, к примеру, позиционер перемещения головки винчестера, в сканирующем туннельном микроскопе в системе позиционирования иглы.
• Излучателях гидролокаторов (сонарах).
• Ультразвуковых излучателях для ультразвуковой гидроочистки (промышленные ультразвуковые ванны, ультразвуковые стиральные машины).
• Пьезоэлектрических двигателях.
• Струйных принтерах для подачи чернил.
• Адаптивной оптике с целью изгиба отражающей поверхности деформируемого зеркала.

Обратный и прямой эффект пьезогенераторов одновременно используются в:

• Датчиках на специальных поверхностных акустических волнах.
• Ультразвуковых линиях задержки специальных электронной аппаратуры.
• Приборах на эффекте специальных поверхностных акустических волн.
• Пьезотрансформаторах с целью изменения напряжения высокой частоты.
• Кварцевых резонаторах, применяемых в качестве эталона частоты.

Большинство из применяемых пьезогенераторов вырабатывают небольшой ток. Отдельные пьезоэлементы могут генерировать высокое напряжение, которое пробивает разрядный промежуток, затем ток поступает на выпрямитель, после чего в накопительное устройство, к примеру, ионистор.

Достоинства и недостатки

Среди преимуществ пьезогенераторов можно выделить:

• Длительный срок службы.
• Небольшие габариты.
• Мобильность.
• Отсутствие отходов, а также загрязнения окружающей среды.
• Независимость от погодных и природных условий.
• Не требует выделения дополнительных площадей.
• Широкая применяемость пьезогенераторов в самых разных устройствах.
• Отличное решение в качестве источника электрических зарядов, контроля изоляции, источника высокого напряжения с целью воспламенения и многих других. В некоторых случаях применение пьезогенераторов целесообразно в качестве микромощных источников питания. Максимальное напряжение, которое могут выдавать пьезогенераторы, в большинстве случаев не превышает 1,6 В, чего вполне хватает для небольших источников света, мобильных плееров или мобильных коммуникационных аппаратов.

Среди недостатков пьезогенераторов можно выделить:

• Небольшой ток. Пьезогенератор является преобразователем, но не источником электроэнергии.
• Выработка электрического заряда только в момент механического воздействие. Ток идет краткосрочный, что требует внедрение в ряд устройств дополнительных элементов. В результате конструкция усложняется, а значит, утрачивает свою надежность.
• На текущий момент времени пьезогенераторы не могут использоваться для питания мощных устройств.

Перспективы

• Развитие технологий в ближайшем будущем позволит использовать пьезогенераторы мощности в случае невозможности применения солнечных батарей. Они смогут эффективно заменить их, для этого потребуется энергия ветра, моря или мускул. Вырабатываемой энергии вполне будет хватать для зарядки аккумуляторов планшетов, ноутбуков и возможно для питания целого дома.
• Сегодня проводятся опыты по созданию систем с пьезогенераторами, которые могли бы получать энергию от движущегося автотранспорта. По подсчетам ученых километр автобана способен генерировать электрическую мощность, равную 5 МВт. Однако на текущий момент прорыв в этой области альтернативной энергетики останавливает недостаточное развитие технологий.
• В обозримом будущем будет возможно подзаряжать плеер, мобильный телефон или иное устройство, просто положив его в карман. А сердцебиение человека сможет стать источником тока, к примеру, для портативного датчика артериального давления. Подобные революционные перспективы открываются благодаря созданию плоских миниатюрных «наногенераторов», которые могут при тряске, сгибании или сжатии вырабатывать то же напряжение, что и стандартная батарейка АА.

Похожие темы:

Пьезоэлемент: применение и принцип работы

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

Физические свойства пьезоэлемента

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

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

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

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

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

Принцип работы

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

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

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

Применение

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

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

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

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

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

Пьезоэлектрический генератор электрической мощности / Хабр

Ажиотаж в мире в отношении создания пьезоэлектрических источников энергии до недавнего времени не отличался высоким уровнем изобретательских предложений. Например, учёные Израиля предлагают монтировать пьезоэлементы в дорожном полотне и использовать энергию проезжающих машин. В Японии пол одного из залов метро покрыт пьезоэлементами. Эти и подобные им проекты генераторов напряжения не выдерживают никакой критики с экономической точки зрения. Причина в следующем.

За один щелчок электрозажигалки, который длится примерно 0,1 наносекунды, выделяется мощность более 2 мегаватт. То есть мощность за секунду равна 0,2 ватта. Если бы можно было сделать 1000 щелчков в секунду, то получили бы мощность 200 ватт. Мощность большая, но как сделать 1000 щелчков в секунду. Это невозможно, но вот прижать пьезоэлемент к гладкому вращающемуся колесу 20 и более тысяч раз можно, возбуждая в нём ультразвуковые колебания.

Это хотя бы доказывает ниже приведенный рисунок (рис.1). Тридцать ватт отбираемой от пьезоэлемента мощности (ватт на грамм пьезоэлемента) в непрерывном режиме при напряжении 300В было достаточно, чтобы питать люминесцентную лампу. Для этого энергия вращающегося колеса преобразовывается в изгибные ультразвуковые колебания камертона выполненного на одном из концов пакета Ланжевена, и затем, за счёт пьезоэффекта, в электрические колебания высокой частоты.

То есть, с помощью пьезоэлементов можно создавать не только электрические генераторы напряжения, но и генераторы мощности.

Идея использовать пьезоэлектрический мотор в качестве генератора мощности (рис.

2) долго обходилась без должного внимания. Причина в том, что, согласно этой идее, один тип колебаний принудительно должен возбуждаться в одной из частей пьезоэлемента. Эту часть назовём возбудителем. Для этого, помимо механического воздействия, используется отдельный источник питания. Второй тип колебаний должен генерироваться в другой части пьезоэлемента, за счёт принудительного вращения ротора. Эту часть пьезоэлемента назовём генератором.

Испытания опытных образцов подтвердили возможность получения энергии в генераторе. Но мощность генератора должна быть в несколько раз больше мощности отбираемой от источника питания возбудителя. Иначе в таком генераторе нет смысла. Вот как раз это долго и не получалось.

Лишь только относительно недавно Вячеслав Лавриненко, изобретатель пьезоэлектрического мотора, пенсионер, работая у себя дома после тщательной подборки материалов пьезоэлемента и контактных пар смог получить полезную мощность на нагрузке в несколько раз больше, мощности, отбираемой от дополнительного источника питания. Появилась возможность часть мощности генератора направить в возбудитель и убрать дополнительный источник. Эту задачу он решал двумя способами.

По первому способу измерял амплитуду и фазу на входе возбудителя и с помощь реактивных элементов подгоняли под такую же амплитуду и фазу напряжение на выходе генератора. То есть, как и в обычных электрических генераторах выполнялись условия баланса амплитуды и фазы. Когда эти условия были выполнены, выход замыкался с входом.

По второму способу напряжение с генератора преобразовывалось в постоянное напряжение, которым питался усилитель мощности и маломощный генератор переменного напряжения. По мере того, как удалось устойчиво получать полезную мощность в пределах 0,2 Ватта на грамм пьезоэлемента, Лавриненко обнаруживает интересный эффект, соизмеримый в физике с открытием, который он сформулировал так:

В двух, совмещённых в одном теле, резонаторах взаимно перпендикулярных акустических колебаний, с частотами резонанса смещёнными друг относительно друга для создания сдвига фаз между колебаниями при их возбуждении спонтанно генерируются взаимно поперечные колебания на частоте между упомянутыми резонансными частотами при фрикционном взаимодействии тела с другим телом, например, с вращающимся колесом.

То есть, при фрикционном взаимодействии упомянутых тел существует положительная обратная связь. Появление случайных колебаний образуют эллипс, размеры которого увеличиваются при вращении колеса. Подобным образом в электрическом усилителе напряжения, охваченной положительной обратной связью спонтанно возбуждаются электрические колебания, и энергия источника постоянного напряжения преобразуется в переменное напряжение. Зависимость этого напряжения от скорости вращения имеет вид, показанный на рис.3.

Обнаруженный эффект значительно упрощает идею создания пьезоэлектрических генераторов мощности, причем мощность в 5 ватт на грамм пьезоэлемента становится вполне реальной. Будут ли они иметь преимущества перед электромагнитными генераторами можно будет сказать только со временем, по мере их изучения, хотя о некоторых из них можно говорить уже сейчас.

Отсутствие меди и обмоток – это надёжность в условиях повышенной влажности. Отсутствие тяжёлых металлов (меди и сплавов железа) – это высокие удельные параметры.

Получаемый на выходе высокочастотный сигнал, легко трансформируется под любую нагрузку. А главное преимущество, что для любых частот вращения колеса не требуется редуктор. Достаточно лишь правильно рассчитать диаметр колеса.

При невозможности применения солнечных батарей, пьезоэлектрические генераторы мощности, используя энергию, мускул или ветра, могут их заменить, например, для зарядки аккумуляторов ноутбуков, планшетов и пр. Хотя актуальность направления очевидна, для его развития требуется достаточная финансовая поддержка, которой, как и у многих проектов наших стран, пока нет.

Пьезоэлемент — Энциклопедия по машиностроению XXL

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

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

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

[c.558]

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

В отличие от датчиков сопротивления, которые позволяют производить измерения в одном направлении, датчики с титанатом бария одинаково чувствительны к напряжениям в направлении длины и радиальном направлении.  [c.26]

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

[c.163]

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

---

Устройство и принцип работы пьезофорсунок

 

Устройство пьезоэлектрической форсунки

В основе устройства форсунки этого типа лежит принцип обратного пьезоэффекта. Суть его заключается в том, что под действием поступающего напряжения происходит изменение геометрических параметров, в частности длины, кристалла, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. На этом же принципе, кстати, основаны проверка, диагностика и ремонт пьезофорсунок.

Основными узлами пьезофорсунки являются:

1. пьезоэлемент, соединенный с поршнем-толкателем;

2. толкатель;

3. переключающий клапан;

4. игла впрыска.

 

Принцип действия

Работа пьезофорсунки основана на принципе гидравлического сопротивления. В исходом состоянии игла устройства плотно посажена в седло. Этому способствует высокое давление над верхней ее частью, создаваемое топливным насосом. При поступлении сигнала из ЭБУ пьезоэлемент увеличивается в длине, что передает усилие на поршень толкателя. Последний открывает переключающий клапан. Благодаря этому топливо, находящееся над иглой, поступает в сливную магистраль за счет высокого давления. В результате этого давление топлива над иглой становится меньше, чем в нижней ее части. По закону гидравлики игла приподнимается и осуществляется впрыск топлива.

 

Достоинства пьезофорсунок

1. Максимальное быстродействие и совершенное управление фазами впрыска. По сравнению с электромагнитным клапаном пьезоэлектрический срабатывает в 4 раза быстрее. Это способствует меньшему времени отклика и лучшему и более точному разделению фаз впрыска.

2. Переменное значение давления впрыска. Пьезофорсунки лучше отвечают требованиям необходимости применения разного давления впрыска при различных фазах работы двигателя (запальной, рабочей).

3. Минимальный уровень шума при работе двигателя, что обусловлено быстродействием пьезоклапана и минимальным диаметром плунжера форсунки.

4. Высокий КПД форсунки благодаря тому, что для функционирования клапана требуется подавать электрический сигнал минимальной мощности. Уменьшение объема топлива поспособствовало сужению диаметра плунжера пьезофорсунки.

 

Особенности применения, диагностика и ремонт пьезофорсунок

Пьезоэлектрические форсунки существенно улучшают качество работы двигателя, уменьшают расход топлива и практически сводят к нулю вредные выбросы из-за неполного сжигания топливной смеси. Однако такая совершенная система впрыска требует и максимально качественно топлива. Малейшие загрязнения быстро выведут ее из строя и приведут к поломке. Только последующая проверка пьезофорсунок на стенде компании-производителя может дать точное определение истинной причины их поломок. В любом случае ремонт пьезофорсунок почти вдвое выгоднее покупки и установки новых.

 

 

 

Физика ультразвука, пьезоэлементы и выбор ультразвуковых датчиков

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

14 февраля 2017

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

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

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

 

Физика ультразвука

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

 

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

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

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

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

  

Выбор ультразвуковых датчиков.

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

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

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

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

 

О совместимых датчиках хотелось бы добавить следующее: Производитель ультразвукового прибора крайне претенциозно относится к контролю качества над производством датчиков (и не удивительно, так как при плохом датчике обязательно будет плохая визуализация у любой, самой технологичной ультразвуковой системы). Производителю совместимого датчика, напротив, совсем не нужно так внимательно следить за качеством, такие производители преследуют свои цели: снижение себестоимости для того, чтобы успешно конкурировать с другими, более крупными и официальными производствами.

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

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

Мы желаем вам удачной покупки!

Коллектив ООО «Медфорд»

Назад

Что такое пьезоэлектрический эффект и как его используют | Энергофиксик

Какие ассоциации у вас возникают при слове пьезоэлемент? Зажигалка или электроподжиг. На самом деле пьезоэффект используется в гораздо больших областях. В этой статье я расскажу вам, что вообще такое пьезоэффект и где его активно применяют. Итак, начнем.

yandex.ru

История открытия

Данный эффект был открыт еще в 1880 году братьями Кюри. В результате проведенных экспериментов ими было установлено, что при сжатии либо растяжении отдельных кристаллов естественного происхождения на их гранях формируется электрические заряды.

Открытый эффект ученые назвали «пьезоэлектричество» (от греческого «piezo» в буквальном переводе –«давить»), а кристаллы, которые обладают такими свойствами, стали называть пьезоэлектрическими.

Как и в каких кристаллах работает этот эффект

Как оказалось данным эффектом наделены кристаллы как естественного происхождения (турмалин, кварц и т.п.), так и искусственно выращенные. Причем список таких кристаллов пополняется с завидной постоянностью.

Если такой кристалл начать растягивать или сжимать в определенной плоскости, то на гранях образуется электрический заряд с небольшой разностью потенциалов.

yandex.ru

Если же на эти грани подключить проводники, то в момент сжатия или растяжения по ним пройдет небольшой электрический импульс. Это и есть проявление Пьезоэффекта. Если же оказывать постоянное давление, то никакого образования электроимпульса не наблюдается.

yandex.ru

При этом такие кристаллы обладают просто отличной упругостью. Если снять деформирующее воздействия, то кристалл возвращается в свое первоначальное положение без всяких инерционных колебаний.

Если на кристалл уже находящийся под давлением приложить еще большее усилие или же его полностью снять, то он сразу же отреагирует электрическим импульсом.

Правда на момент открытия эффекта сила тока от колеблющегося кристалла была ничтожна и это было основным препятствием в активном использовании открытия на практике. Но с приходом современных технологий когда ток можно усилить в сотни раз, проблема была устранена и пьезоэлементы стали активно применяться.

Примечание. На данный момент уже открыты элементы, пьезоэффект у которых проявляется достаточно сильно.

Где и как используются пьезоэлементы

Данные кристаллы стали активно использоваться в ультразвуковой дефектоскопии (обнаружение дефектов в разнообразных металлических изделиях).

В электромеханических преобразователях для стабилизации частот, в фильтрах многоканальной связи, во всевозможных датчиках фиксации давления и усиления, в адаптерах и т. п. На самом деле список где используются пьезоэлементы в той или иной степени можно продолжать очень долго.

yandex.ru

Главные особенности пьезокристаллов

Обратный эффект пьезокристаллов

Но гораздо более важным явилось открытие так называемого обратного эффекта, который заключен в следующем:

Если на соответствующие грани кристалла приложить определенный заряд, то сам кристалл подвергнется деформации.

То есть если на кристалл подать электрические колебания соответствующие звуковой частоте, то кристалл, колеблясь, будет транслировать звуковые волны в окружающую среду. Иначе говоря, один кристалл может быть и динамиком, и микрофоном одновременно.

yandex.ru

Собственная частота механических колебаний

Так же у таких кристаллов есть своя собственная механическая частота и если на кристалл подать заряд с частотой, совпадающей с собственной, то он войдет в резонанс, начнет колебаться особенно сильно. Этот принцип используется в пьезоэлектрических стабилизаторах, которые поддерживают постоянную частоту в генераторах незатухающих колебаний.

Этот же эффект справедлив и для прилагаемых механических колебаний. Благодаря этому были созданы акустические приборы, которые выделяют из всего разнообразия приходящих звуков только те, которые необходимы для каких-либо целей.

yandex.ru

Производство пьезоэлементов

Для того, чтобы использовать пьезоэффект нет необходимости применять целый кристалл. Достаточно распилить его на пластинки, при этом распил должен быть строго ориентирован относительно кристаллографических осей. А затем из заготовок сформировать прямоугольные или круглые пластины.

При этом так же строго соблюдается толщина пластин, ведь от нее зависит резонансная частота колебаний. Далее эти пластинки (одна или сразу несколько) соединяются с металлическими пластинами и таким образом получается пьезоэлемент.

Заключение

Как видите пьезоэлемент используется в гораздо больших областях, чем казалось на первый взгляд. Если вам понравилась статья, то оцените ее лайком и спасибо за ваше внимание!

Пьезоэлектрический керамический элемент

Влияние входной частоты

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Что такое пьезоэлектрические материалы? | Sciencing

Обновлено 28 декабря 2020 г.

Автор: Francine Mends

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

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

Некоторые природные вещества, встречающиеся в природе, демонстрируют пьезоэлектрический эффект. К ним относятся:

• Кость
• Кристаллы
• Определенная керамика
• ДНК
• Эмаль
• Шелк
• Дентин и многие другие.

Материалы, которые демонстрируют пьезоэлектрический эффект также демонстрируют обратный пьезоэлектрический эффект (также называемый обратным или обратным пьезоэлектрическим эффектом) .Обратный пьезоэлектрический эффект . — это внутреннее генерирование механической деформации в ответ на приложенное электрическое поле.

История пьезоэлектрических материалов

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

Они измерили поверхностные заряды следующих кристаллов:

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

Кварц и Рошельская соль продемонстрировали самые высокие пьезоэлектрические эффекты. .

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

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

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

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

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

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

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

Механизм пьезоэлектричества

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

Когда пьезоэлектрический кристалл находится под напряжением, он создает поляризацию, P , пропорциональную создаваемому напряжению.

Основное уравнение пьезоэлектричества :

P = d \ times \ text {stress}

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

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

Пьезоэлектрические кристаллы: список

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

Кристаллы естественного происхождения:

• Кварц. Стабильная кристалл используется в кристаллах часов и эталонных частот кристаллов для радиопередатчиков.
• Сахароза (столовый сахар)
• Рошельская соль. Выдает большое напряжение со сжатием; использовался в ранних кристаллических микрофонах.
• Топаз
• Турмалин
• Берлинит (AlPO ₄ ).Редкий фосфатный минерал, структурно идентичный кварцу.

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

Пьезоэлектрическая керамика:

• Титанат бария (BaTiO ₃ ). Обнаружена первая пьезоэлектрическая керамика.
• Титанат свинца (PbTiO ₃ )
• Цирконат титанат свинца (PZT).В настоящее время наиболее часто используется пьезоэлектрическая керамика.
• Ниобат калия (KNbO ₃ )
• Ниобат лития (LiNbO ₃ )
• Танталат лития (LiTaO ₃ )
• Вольфрамат натрия (Na ₂ WO10 ₄ Lead ₄ без пьезокерамики:

  Следующие материалы были разработаны в ответ на опасения по поводу вредного воздействия свинца в окружающей среде.

  • Ниобат натрия-калия (NaKNb).Этот материал имеет свойства, аналогичные PZT.
  • Феррит висмута (BiFeO ₃ )
  • Ниобат натрия (NaNbO ₃ )

  Биологические пьезоэлектрические материалы:

  • Сухожилие
  • Дерево
  • Шелк
  • Коллаген
  Дентен
  • Эмаль

  Пьезоэлектрические полимеры: Пьезополимеры легкие и небольшие по размеру, поэтому их популярность в технологических приложениях растет.

  Поливинилиденфторид (PVDF) демонстрирует пьезоэлектричество, которое в несколько раз больше, чем у кварца. Он часто используется в области медицины, например, для наложения швов и медицинского текстиля.

  Применение пьезоэлектрических материалов

  Пьезоэлектрические материалы используются в различных отраслях промышленности, в том числе:

  • Производство
  • Медицинское оборудование
  • Телекоммуникации
  • Автомобилестроение
  • Информационные технологии (ИТ)

  Источники питания высокого напряжения:

  • Зажигалки электрические. Когда вы нажимаете кнопку на зажигалке, кнопка заставляет небольшой подпружиненный молоток ударять по пьезоэлектрическому кристаллу, создавая ток высокого напряжения, который течет через зазор, чтобы нагреть и воспламенить газ.
  • Газовые грили или плиты и газовые горелки. Они работают так же, как и зажигалки, но в большем масштабе.
  • Пьезоэлектрический преобразователь. Он используется в качестве умножителя переменного напряжения в люминесцентных лампах с холодным катодом.

  Пьезоэлектрические датчики

  Ультразвуковые преобразователи используются в повседневной медицинской визуализации.Преобразователь представляет собой пьезоэлектрическое устройство, которое действует как датчик и как исполнительный механизм. Ультразвуковые преобразователи содержат пьезоэлектрический элемент, который преобразует электрический сигнал в механическую вибрацию (режим передачи или компонент исполнительного механизма) и механическую вибрацию в электрический сигнал (режим приема или компонент датчика).

  Пьезоэлектрический элемент обычно обрезается на 1/2 длины волны от желаемой длины волны ультразвукового преобразователя.

  Другие типы пьезоэлектрических датчиков включают:

  • Пьезоэлектрические микрофоны.
  • Пьезоэлектрические звукосниматели для электроакустических гитар.
  • Волны сонара. Звуковые волны генерируются и воспринимаются пьезоэлектрическим элементом.
  • Электронные барабанные пэды. Элементы обнаруживают удар палок барабанщика о пэды.
  • Медицинская акселеромиография. Это используется, когда человек находится под наркозом и ему вводят миорелаксанты. Пьезоэлектрический элемент в акселеромиографе определяет силу, возникающую в мышце после нервной стимуляции.

  Пьезоэлектрические приводы

  Одно из преимуществ пьезоэлектрических приводов состоит в том, что высокое напряжение электрического поля соответствует крошечным микрометровым изменениям ширины пьезоэлектрического кристалла. Эти микромассы делают пьезоэлектрические кристаллы полезными в качестве исполнительных механизмов, когда требуется точное позиционирование крошечных объектов, например, в следующих устройствах:

  • Громкоговорители
  • Пьезоэлектрические двигатели
  • Лазерная электроника
  • Струйные принтеры (кристаллы управляют выбросом чернил от печатающей головки к бумаге)
  • Дизельные двигатели
  • Рентгеновские заслонки

  Умные материалы

  Умные материалы — это широкий класс материалов, свойства которых могут быть изменены контролируемым способом с помощью внешнего воздействия, такого как pH, температура, химические вещества, приложенное магнитное или электрическое поле или напряжение. Умные материалы также называют интеллектуальными функциональными материалами.

  Пьезоэлектрические материалы соответствуют этому определению, потому что приложенное напряжение создает напряжение в пьезоэлектрическом материале, и, наоборот, приложение внешнего напряжения также производит электричество в материале.

  Дополнительные интеллектуальные материалы включают сплавы с памятью формы, галохромные материалы, магнитокалорические материалы, термочувствительные полимеры, фотоэлектрические материалы и многие, многие другие.

  Пьезоэлектричество — как это работает?

  Криса Вудфорда. Последнее обновление: 11 декабря 2020 г.

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

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

  Что такое пьезоэлектричество?

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

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

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

  Что вызывает пьезоэлектричество?

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

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

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

  Обратный пьезоэлектрический эффект происходит наоборот. Поставить напряжение на пьезоэлектрическом кристалле, и вы подвергаете атомы внутри него до «электрического давления».»Они должны двигаться чтобы сбалансировать себя — и это то, что вызывает пьезоэлектрические кристаллы деформироваться (немного менять форму) при подаче напряжения через них.

  Для чего используется пьезоэлектричество?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

  Сбор энергии с помощью пьезоэлектричества?

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

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

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

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

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

  Кто открыл пьезоэлектричество?

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

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

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

  Как работает пьезоэлектричество | EAGLE

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

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

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

  ( Источник изображения )

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

  ( Источник изображения )

  Типы пьезоэлектрических материалов

  Существуют различные пьезоэлектрические материалы, которые могут проводить электрический ток, как искусственный, так и естественный.Самый известный и первый пьезоэлектрический материал, используемый в электронных устройствах, — это кристалл кварца. Другие природные пьезоэлектрические материалы включают тростниковый сахар, соль Рошель, топаз, турмалин и даже кость.

  Кристалл кварца. ( Источник изображения )

  Поскольку пьезоэлектрические технологии начали развиваться после Первой мировой войны, мы начали разработку искусственных материалов, которые по своим характеристикам не уступали кварцу. Искусственные пьезоэлектрические материалы включают:

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

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

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

  Титанат бария. ( Источник изображения )

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

  Ниобат лития. ( Источник изображения )

  Как работает пьезоэлектричество

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

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

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

  ( Источник изображения )

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

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

  ( Источник изображения )

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

  Открытие пьезоэлектричества

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

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

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

  ( Источник изображения )

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

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

  Пьезоэлектричество сегодня

  В современном мире электроники пьезоэлектричество используется повсеместно. Когда вы спрашиваете Google, как пройти к новому ресторану, в микрофоне используется пьезоэлектричество.В Токио есть даже метро, ​​которое использует силу человеческих шагов для питания пьезоэлектрических структур в земле. Пьезоэлектричество используется в следующих электронных устройствах:

  Приводы

  Приводы

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

  ( Источник изображения )

  Динамики и зуммеры

  В динамиках

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

  ( Источник изображения )

  Драйверы

  Драйверы

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

  ( Источник изображения )

  Датчики

  Датчики

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

  ( Источник изображения )

  Мощность

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

  ( Источник изображения )

  Двигатели

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

  ( Источник изображения )

  Пьезоэлектричество и будущее

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

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

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

  пьезоэлементов | BeStar Tech

  Пьезоэлемент — это сердце пьезо-зуммера. Также называемые пьезо диафрагмами и пьезогибами, они, по сути, предлагаются для того, чтобы производители продукции могли воспроизводить звук в пределах своих собственных корпусов / корпусов. BeStar имеет особый опыт в производстве пьезоэлементов, от очень маленьких блоков для датчиков до очень больших блоков для сирен. Специально разработанные пьезокерамические диски применяются для различных материалов базовых дисков, чтобы соответствовать большинству применений.

  Базовым элементом во всех этих устройствах является пьезоэлектрическая керамика, установленная на металлической диафрагме. Когда переменное напряжение подается на электроды пьезокерамики, она расширяется и сжимается с приложенной частотой. Это заставляет пьезо диафрагмы изгибаться, создавая звуковые волны. Металлическая диафрагма обычно изготавливается из латуни, нержавеющей стали или никелевого сплава толщиной менее 0,5 мм. В качестве пьезоэлемента используется керамический материал PZT. Этот элемент спроектирован таким образом, чтобы механическая резонансная частота соответствовала частоте управляющего сигнала.Посредством легирования материала PZT можно изменить его пьезоэлектрические характеристики, особенно твердость или мягкость материала. Пьезоэлемент BeStar обеспечивает рабочие характеристики как в акустических, так и в ультразвуковых приложениях и нашел применение не только в пьезозумперах для ультразвукового распыления или в качестве импульсного генератора. Будущие направления включают приводы и даже пьезо-динамики.

  Звуковые возможности пьезоэлементов

  Пьезодиск — это недорогое решение с низким энергопотреблением для создания хорошего звука на определенных средних и высоких частотах.В сочетании с пластиковым диффузором или в биморфной конфигурации пьезодиск может быть очень мощным звукорежиссером. У нас есть дополнительная информация о пьезоэлементах и ​​пьезотехнологиях в нашем специальном каталоге пьезоэлементов, который можно найти на вкладке ресурсов. Пожалуйста, свяжитесь с представителем BeStar с конкретными вопросами по применению.

  Что такое пьезоэлектрический эффект?

  Что вы узнаете:

  • В следующем году количество различных грузовых автомобилей с нулевым уровнем выбросов значительно увеличится.
  • Какие производители инвестируют в полностью электрические грузовики?
  • Какие производители грузовиков работают над автомобилями на топливных элементах?

  Около 3,7 миллиона грузовиков большой грузоподъемности используются в США, доставляя товары по стране. Обычно они приводятся в действие дизельными двигателями, которые шумят и выделяют загрязнения. По данным IDTechEx, несмотря на то, что на эти большие дизельные двигатели грузовиков приходится всего 9% мирового парка транспортных средств, они составляют 39% выбросов парниковых газов в транспортном секторе и около 5% выбросов CO ₂ от ископаемого топлива.

  Но это может скоро измениться. Для тех, кто в автомобильном мире пытается убедить босса в том, что изменение климата является важным стратегическим вопросом для бизнеса, происходит нечто важное: компании стремятся к зеленым долларам, деньгам, потраченным на сокращение загрязнения и отходов, и при этом они также демонстрируя хорошее корпоративное гражданство.

  В следующем году количество различных грузовых автомобилей с нулевым уровнем выбросов значительно увеличится. Такие производители, как Ford, GM, Peterbilt, Tesla и Volvo, инвестируют в полностью электрические грузовики, а Daimler, Hyundai и Toyota работают над автомобилями на топливных элементах.

  Tesla

  Например, производитель электромобилей Tesla планирует производить полуавтомат и имеет предварительные заказы от таких гигантов, как Anheuser-Busch, DHL, FedEx, JB Hunt Transport Services, PepsiCo, UPS и Walmart ( Рис.1) . Электрический полуприцеп Tesla класса 8 будет выпускаться с пробегом на 300 и 500 миль. По заявлению компании, Semi будет разгоняться от 0 до 60 миль в час за 20 секунд при полной нагрузке в 40 тонн. Он сможет поддерживать эту скорость при подъеме на 5% уклон.

  1. Ожидается, что к концу августа Tesla произведет около 350 автомобилей Semi. Затем, согласно отчетам автомобильной промышленности, ее производительность увеличится до 100 в неделю к концу 2021 года и до 500 в неделю к концу 2022 года.
  

  В последнем отчете о прибылях и убытках Tesla генеральный директор Tesla Илон Маск сказал, что Semi готов к производству — все инженерные работы уже завершены — но автопроизводитель не сможет добиться массового производства, пока компания не нарастит производство 4680 аккумуляторных элементов.Компания рассчитывает начать поставки Tesla Semi где-то в этом году.

  Kenworth

  Новый Kenworth T680E с нулевым уровнем выбросов является первой аккумуляторно-электрической моделью класса 8 производителя грузовиков за его 97-летнюю историю. Расчетная дальность действия T680E составляет 150 миль, в зависимости от приложения. В нем используется быстрое зарядное устройство постоянного тока CCS1 с максимальной мощностью 120 кВтч, а время зарядки составляет 3,3 часа. Kenworth T680E обеспечивает непрерывную мощность в 536 л.с. и максимальную мощность до 670 л.с. плюс крутящий момент в 1623 фунт-фут.

  Peterbilt

  Модель 579EV Peterbilt теперь доступна для заказов клиентов, производство должно начаться во втором квартале 2021 года (Рис. 2) . Полностью интегрированная, полностью электрическая трансмиссия в модели 579EV использует литий-железо-фосфатные аккумуляторные батареи с терморегулятором, чтобы обеспечить запас хода до 150 миль. При использовании в сочетании с рекомендованным быстрым зарядным устройством постоянного тока аккумуляторные батареи заряжаются за 3-4 часа, что делает 579EV хорошо подходящим для региональных перевозок и операций на последней миле.

  2. Peterbilt Model 579EV доступен в конфигурации с тандемным приводом, с двигателями Meritor 14Xe, обеспечивающими питание через приводные инверторы. Рекуперативное торможение улавливает энергию от остановок и остановок, чтобы помочь зарядить аккумуляторы и увеличить запас хода автомобиля. (Источник: Peterbilt)
  

  Volvo

  Volvo Trucks вывела на рынок свой грузовик с нулевым уровнем выбросов VNR Electric в конце 2020 года. VNR Electric имеет запас хода в 150 миль и скорость до 65 км. миль / ч по трассе.Он разработан для клиентских приложений и ездовых циклов с местным и региональным распределением, включая продукты питания и напитки, а также маршруты получения и доставки. Грузовик выпускается в трех моделях: прямая тележка; трактор 4х2; и трактор 6х2. По данным компании, в нем используются литий-ионные батареи емкостью 264 кВтч, которые могут заряжаться до 80% за 70 минут.

  Daimler

  Компания Daimler, крупнейший производитель грузовиков в мире, теперь поставляет грузовик Freightliner eCascadia Class 8.В eCascadia, когда водитель нажимает педаль акселератора примерно на половину (50%), контроллер трансмиссии сначала проверяет другие компоненты, чтобы определить, является ли передача 50% крутящего момента на электродвигатель безопасной и эффективной для системы.

  Если все требования соблюдены, контроллер трансмиссии позволяет инвертору извлекать энергию из батареи и передавать ее электронным двигателям, чтобы удовлетворить потребность водителя в крутящем моменте 50%. Если контроллер трансмиссии определяет, что передача 50% крутящего момента не рекомендуется (если грузовик неподвижен или движется медленно), он снизит крутящий момент до идеального уровня, например, 30%.

  Разработанный для eCascadia, полностью электрический Detroit ePowertrain использует электрическую трансмиссию eAxle. Благодаря интеграции электродвигателя, трансмиссии и специальной электроники в компактный блок, eAxle может напрямую приводить в действие колеса грузовика.

  Detroit ePowertrain предлагает две модели Detroit eAxle. Установка с двумя двигателями имеет максимальный крутящий момент 23000 фунт-футов и максимальную мощность 360 л.с. Конструкция с одним двигателем обеспечивает максимальный крутящий момент 11500 фунт-футов и максимальную мощность 180 л.с.

  GM

  GM входит в игру по доставке электричества через новое бизнес-подразделение под названием BrightDrop, чей электрический грузовой фургон EV600 появится на дорогах в конце 2021 года для своего первого клиента, FedEx.

  BrightDrop’s EV600 — это легкий электрический автомобиль для коммерческих перевозок, специально созданный для доставки товаров и услуг на большие расстояния. Характеристики EV600 включают в себя:

  • Работающий от системы аккумуляторов GM Ultium, EV600 рассчитан на пробег до 250 миль при полной зарядке.
  • Пиковая скорость зарядки до 170 миль пробега электромобиля в час за счет быстрой зарядки постоянного тока мощностью 120 кВт.
  • Грузовое пространство более 600 кубических футов.
  • Предлагается для полной массы автомобиля (GVWR) менее 10 000 фунтов.

  Стандартные функции безопасности включают в себя: систему помощи при парковке спереди и сзади, автоматическое экстренное торможение, предупреждение о лобовом столкновении, индикатор расстояния следования, торможение передним пешеходом, систему удержания полосы движения с предупреждением о выезде с полосы движения, автоматический дальний свет IntelliBeam и камеру заднего обзора HD.Дополнительные доступные функции безопасности и помощи водителю включают в себя: торможение при перекрестном движении сзади, помощь при рулевом управлении в слепой зоне, автоматическое торможение задним ходом, HD Surround Vision, предупреждение пешеходов сзади и улучшенное автоматическое экстренное торможение, среди прочего.

  BrightDrop планирует сделать EV600 доступными большему количеству клиентов, начиная с начала 2022 года.

  Ford

  Автогигант Ford вышел в новый сектор рынка электромобилей и планирует разработать полностью электрическую версию своего автомобиля. Транзитный грузовой фургон будет доступен с конца 2021 года.Ожидается, что автомобиль будет иметь запас хода в 126 миль. Исследования, основанные на внутренних данных компании, показывают, что средний пользователь общественного транспорта проезжает 74 мили в день, что находится в пределах прогнозируемой дальности действия электрической версии транспортного средства.

  Rivian

  Rivian в прошлом году получила огромный заказ на 100 000 полностью электрических автофургонов от гиганта электронной коммерции Amazon. Пока вы читаете это, Amazon начала тестирование первой партии своих электрических автофургонов Rivian Automotive в Лос-Анджелесе.Rivian ожидает, что первые фургоны будут доставлены для Amazon во второй половине 2021 года, в общей сложности 10 000 фургонов будут готовы к концу 2022 года, а полные 100 000 — к 2030 году.

  Fuel-Cell Electric

  Заправка время и дальность полета являются важными факторами при эксплуатации большегрузных автомобилей. В этом отношении водород является подходящим топливом для грузовиков большой грузоподъемности, так как обеспечивает короткое время дозаправки и поездки на большие расстояния, одновременно предлагая решение с нулевым уровнем выбросов.

  Daimler представила концептуальный автомобиль на водородных топливных элементах под названием Mercedes-Benz Genh3 truck, заявив, что он сможет проехать до 621 мили на одном баке. Серийная версия Genh3 Truck имеет полную массу 40 тонн и полезную нагрузку 25 тонн. Два бака с жидким водородом и система топливных элементов сделают эту полезную нагрузку возможной и увеличивают дальность полета, и, следовательно, составляют основу концепции Genh3 Truck.

  Daimler Trucks предпочитает использовать жидкий водород (Lh3), потому что в этом состоянии энергоноситель имеет более высокую плотность энергии по отношению к объему, чем газообразный водород. В результате баки грузовика на топливных элементах, в котором используется жидкий водород, намного меньше и из-за более низкого давления значительно легче. Это дает грузовикам больше грузового пространства и большую массу полезной нагрузки. В то же время можно перевозить больше водорода, что значительно увеличивает дальность полета грузовиков.

  Грузовики

  Genh3 начнут испытания у клиентов в 2023 году, а серийное производство — во второй половине этого десятилетия.

  General Motors присоединяется к другим автопроизводителям, таким как Toyota, в разработке технологии водородных топливных элементов для грузовых перевозок на дальние расстояния.GM сотрудничает с производителем грузовых автомобилей Navistar и поставщиком водорода Oneh3 для разработки полной системы дальних перевозок с нулевым уровнем выбросов в США.

  Грузовики будут работать на водороде, а не на аккумуляторах, что устранит необходимость в зарядных станциях на длинных маршрутах грузовиков.

  Navistar International Corp будет использовать два блока питания на топливных элементах GM Hydrotec для питания своего грузового электромобиля на топливных элементах серии International RH. Каждый силовой куб Hydrotec содержит более 300 водородных топливных элементов, а также системы управления температурой и мощностью (рис.3) .

  3. Блоки питания на топливных элементах Hydrotec компании General Motors обеспечивают мощность более 80 кВт и могут быть размещены по 2-3 единицы на автомобиль для достижения более высоких номинальных мощностей. (Источник: General Motors)
  

  Водородные грузовики будут запущены в производство в конце 2023 года как модель 2024 года. Целевая дальность полета составляет более 500 миль, при этом время заправки водородом менее 15 минут.

  В конце прошлого года Toyota объявила о сделке с производителем грузовиков Hino о совместной разработке грузовиков на водородных топливных элементах для Северной Америки.Ожидается, что первый демонстрационный автомобиль появится в первой половине 2021 года. Компании будут использовать недавно разработанное шасси серии Hino XL с технологией топливных элементов Toyota.

  Корейская компания Hyundai работает над своим водородным топливным элементом Xcient, который может быть заряжен в течение 8-20 минут на одной зарядке при давлении в баке 350 бар. По данным компании, грузовики Xcient имеют аккумуляторную батарею емкостью 73,2 кВтч (24,4 кВтч × 3) и запас хода около 400 км на одной зарядке (в конфигурации 4 x 2 при буксировке 18-тонного прицепа).Электродвигатель (максимальная мощность 350 кВт) генерирует движущую силу за счет электроэнергии, подаваемой от батареи и батареи.

  Государственная поддержка

  Совет по воздушным ресурсам Калифорнии (CARB) в прошлом году принял постановление о Advanced Clean Trucks, обязывающее производителей грузовиков переходить с дизельных грузовиков и фургонов на электрические грузовики с нулевым уровнем выбросов, начиная с 2024 года. К 2045 году каждый проданный грузовик в Калифорнии будет с нулевым уровнем выбросов. Начиная с 2024 года производители коммерческих грузовиков должны продавать грузовики с нулевым уровнем выбросов в качестве растущего процента от своих годовых продаж в масштабах штата.

  Президент Байден объявил, что его администрация планирует заменить парк автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, принадлежащий федеральному правительству, электромобилями, произведенными в США. -грузовых и 40 000 большегрузных автомобилей на складе.

  Основы пьезо | CTS

  Это руководство представляет собой введение в основы пьезоэлектричества.Сюда входит введение в природу пьезоэлектричества и описание двух основных семейств пьезокерамических материалов (жестко легированных и мягколегированных). В этом руководстве вы также познакомитесь с определяющими уравнениями, а также со свойствами пьезокерамического материала в сильном поле. Вы также найдете описание тепловых свойств пьезокерамического материала, а также обзор, который поможет вам выбрать керамический материал.

  Природа пьезоэлектричества

  Пьезоэлектрический эффект был открыт Жаком и Пьером Кюри в 1880 году.Первым наблюдением было появление диэлектрического заряда на кристалле, пропорционального приложенному механическому напряжению. Вскоре после этого был обнаружен обратный эффект, то есть геометрическая деформация кристалла, пропорциональная приложенному электрическому полю.

  Основы пьезоэлектрических материалов

  Пьезоэлектричество — это свойство некоторых материалов накапливать электрический заряд на своей поверхности, когда на них действует механическое напряжение. Приложенное электрическое поле вызывает в этих материалах линейно пропорциональную деформацию.Электрический ответ на механическую стимуляцию называется прямым пьезоэлектрическим эффектом, а механический ответ на электрическое моделирование называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.

  Различные пьезоэлектрические материалы

  Пьезоэлектрический эффект проявляется в большинстве материалов с нецентросимметричной кристаллической структурой. Некоторые природные кристаллические материалы, обладающие этими свойствами, — это кварц и турмалин. Некоторые искусственно созданные пьезоэлектрические кристаллы представляют собой соль Рошеля, дигидрофосфат аммония и сульфат лития.Еще один класс материалов, обладающих такими свойствами, — это пьезокерамика.

  В отличие от пьезоэлектрических кристаллов природного происхождения, пьезокерамика имеет «поликристаллическую» структуру. Наиболее часто производимая пьезокерамика — это цирконат-титанат свинца (PZT), титанат бария и титанат свинца. Поликристаллические керамические материалы имеют ряд преимуществ перед монокристаллическими пьезоэлектрическими материалами, включая простоту изготовления и формовки различных форм и размеров.Напротив, монокристаллы необходимо разрезать по определенным кристаллографическим направлениям, ограничивая возможные геометрические формы, но предлагая превосходные пьезоэлектрические свойства, за исключением температур Кюри и фазовых переходов.

  Загрузите наш список пьезоэлектрических материалов CTS

  Кристаллическая структура PZT

  Кристаллическая структура PZT

  PZT имеет кристаллическую структуру, принадлежащую к семейству перовскитов с общей формулой AB0 ₃ . На следующем рисунке показана идеальная кубическая структура перовскита.Кристаллиты PZT являются центросимметричными кубическими (изотропными) выше температуры Кюри и демонстрируют тетрагональную симметрию (анизотропную структуру) ниже температуры Кюри.

  Процесс опроса

  Пьезоэлектрическая керамика состоит из зерен (кристаллитов), каждое из которых содержит домены, которые до полировки ориентированы случайным образом, как показано на левом рисунке ниже. В результате чистая поляризация материала равна нулю, и поэтому керамика не проявляет пьезоэлектрических свойств.Во время процесса полировки прикладывается соответствующее электрическое поле постоянного тока, и это приложенное электрическое поле ориентирует домены в направлении электрического поля (как показано на среднем рисунке ниже) и приводит к остаточной поляризации материала (как показано на правом рисунке ниже). .

  Процесс опроса PZT

  Твердый и мягкий пьезокерамический материал

  Хотя сегодня доступно несколько типов пьезоэлектрических керамических материалов, большинство из них можно отнести к одной из двух общих категорий: «твердые» или «мягкие» материалы PZT.Структура перовскита очень устойчива к замещению элементов (легированию) — поэтому используются термины «жесткий» и «мягкий». Даже небольшое количество легирующей примеси (~ 1%) может вызвать существенные изменения свойств материала.

  Характеристики твердого пьезокерамического материала

  Твердая пьезокерамика имеет более высокую механическую добротность и подходит для динамических / резонансных применений. Поскольку более высокий механический коэффициент качества обеспечивает более эффективное преобразование энергии (из электрической в ​​рабочую), твердые материалы могут выдерживать высокий уровень электрического возбуждения и механических нагрузок, выделяют меньше тепла во время этого процесса и их нелегко полюсить или удалить, за исключением повышенной температуры.По сравнению с мягкими пьезоэлектрическими материалами твердые пьезоэлектрические материалы не подвержены деформации из-за более низких коэффициентов d.

  Характеристики мягкого пьезокерамического материала

  Мягкая пьезокерамика имеет более высокие пьезоэлектрические коэффициенты по сравнению с твердой пьезокерамикой за счет добротности. Мягкая пьезоэлектрическая керамика также обеспечивает более высокую чувствительность и диэлектрическую проницаемость и хорошо подходит для статических или полустатических приложений, где требуется большая деформация.Мягкая пьезокерамика при работе в динамическом режиме в сильном поле страдает высокими диэлектрическими потерями и низкими показателями качества, что может привести к перегреву в течение длительного периода эксплуатации.

  Ниже приведено сравнение характеристик твердого и мягкого легированного пьезокерамического материала.

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

  Основные уравнения

  Из-за анизотропной природы пьезокерамики свойства меняются в зависимости от направления. Для определения направлений в пьезоэлектрическом керамическом элементе используется определенная система координат. Определены три оси, обозначенные 1, 2 и 3, аналогично X, Y и Z классического трехмерного ортогонального набора осей.

  Пьезоэлектрические коэффициенты и направления

  Полярная или 3-х осевая определяется направлением опроса. Если компонент не должен использоваться в режиме сдвига, электрическое поле прикладывается в направлении 3. Направления 1 и 2 физически эквивалентны, поэтому их можно определять произвольно, перпендикулярно направлению 3 и друг другу.Направления, обозначенные 4, 5 и 6, соответствуют наклонным (касательным) движениям вокруг осей 1, 2 и 3 соответственно.

  В режиме сдвига, после полирования, электроды снимаются и повторно размещаются перпендикулярно оси 1. В этом случае при приложении электрического поля компонент сдвигается в одном измерении без каких-либо изменений в других измерениях.

  Пьезоэлектрические материалы можно характеризовать несколькими коэффициентами. Пьезоэлектрические коэффициенты с двойными индексами связывают электрические и механические величины.Первый индекс указывает направление электрического поля или производимого диэлектрического заряда. Второй индекс указывает направление механического напряжения или деформации.

  Пьезоэлектрические постоянные, относящиеся к механической деформации, создаваемой приложенным электрическим полем, называются константами пьезоэлектрической деформации или коэффициентами «d». Они выражаются в метрах на вольт [м / В]. И наоборот, эти коэффициенты, которые также называют константами пьезоэлектрического заряда, можно рассматривать как связывающие заряд, накопленный на электродах, с приложенным механическим напряжением.Таким образом, единицы измерения также могут быть выражены в кулонах на ньютон [C / N].

  Кроме того, некоторые константы пьезоэлектрического материала могут быть записаны с «надстрочным индексом», который указывает либо механическое, либо электрическое граничное условие. Верхние индексы — T, E, D и S, означающие:

  .
  • T = постоянное напряжение = не механически
  • E = постоянное поле = короткое замыкание
  • D = постоянное электрическое смещение = обрыв цепи
  • S = постоянная деформация = механический зажим

  Вот три примера параметров, используемых в пьезоэлектрических уравнениях, вместе с объяснением их обозначений:

  Основные пьезоэлектрические уравнения

  Существуют разные способы записи фундаментальных уравнений пьезоэлектрических материалов в зависимости от того, какие переменные представляют интерес.Две наиболее распространенные формы (верхний индекс t означает транспонирование матрицы):

  Эти матричные отношения широко используются для моделирования методом конечных элементов. Для аналитических подходов, как правило, полезны только некоторые из соотношений, поэтому проблему можно еще больше упростить. Например, это соотношение, извлеченное из строки 3 первого матричного уравнения, описывает деформацию в направлении 3 как функцию напряжения и поля.

  Как и любой другой эластичный материал, деформация пропорциональна приложенному напряжению.Но в дополнение к пьезоэлектрическим материалам присутствует дополнительный пьезоэлектрический член, который также связывает деформацию с электрическим полем.

  Ограничения линейных определяющих уравнений

  Есть ряд ограничений линейных материальных уравнений. Пьезоэлектрический эффект на самом деле нелинейный по своей природе из-за гистерезиса и ползучести.

  Кроме того, динамика материала не описывается линейными материальными уравнениями. Пьезоэлектрические коэффициенты зависят от температуры.Пьезоэлектрические коэффициенты демонстрируют сильную зависимость от электрического поля.

  Свойства пьезокерамического материала в сильном поле

  Пьезоэлектрические материалы проявляют нелинейность, гистерезис и ползучесть. В этом разделе представлены типичные данные о материалах, чтобы понять и компенсировать эти эффекты.

  Линейность: приводы (индивидуальные и многослойные многослойные) и гибочные машины

  Зависимость хода от приложенного напряжения для пьезоэлектрических приводов не является абсолютно линейной, как предсказывают пьезоэлектрические уравнения. Типичные характеристики показаны на следующих рисунках. Как можно видеть, кривая растяжения в зависимости от напряжения на самом деле имеет слегка S-образную форму. При низком напряжении кривая увеличения напряжения вогнута вверх, а форма близка к квадратичной.

  В приведенном ниже примере показано смещение во время зарядки привода с использованием пьезоэлектрического материала NCE57. Кривые с более высоким разрешением можно найти в разделе «гистерезис». Нелинейность означает, что ход при 1 кВ / мм меньше, чем ожидалось при линейной экстраполяции с использованием хода при максимальном рекомендованном поле (что соответствует 3 кВ / мм).

  Нелинейность для NCE51

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

  В некоторых приложениях желательно сохранять максимальную деформацию пьезоэлектрического элемента только путем приложения очень сильного электрического поля. В некоторых случаях может быть превышена максимальная рекомендованная напряженность поля 3 кВ / мм, например, для краткосрочного использования или статических приложений. Обычно приемлемо рабочее поле 4 кВ / мм, однако рекомендуется тестирование.

  На рисунке ниже показано, как напряжение изменяется с электрическим полем для наших различных материалов до максимальной напряженности электрического поля 9 кВ / мм. Недостаток приложения очень сильного электрического поля состоит в том, что срок службы привода резко сокращается.

  Данные на рисунке носят исключительно информативный характер, и мы рекомендуем связаться с нашим отделом НИОКР перед проектированием приводов, работающих в очень сильном электрическом поле.

  Зависимость деформации от электрического поля для пьезоэлектрических материалов NCE46, NCE51F, NCE57 и NCE59

  Линейность: срезные пластины

  Зависимость между размахом хода и пиковым приложенным напряжением для срезных пластин не является линейной.Типичные размеры показаны на следующем рисунке. Как можно видеть, смещение увеличивается, когда привод используется близко к максимальному рекомендованному напряжению.

  Полиномиальная тенденция следует экспериментальной зависимости. Где d — смещение, t — высота привода, а E — приложенное электрическое поле (напряжение / высота):
  

  Гистерезис: приводы (индивидуальные и многоуровневые) и гибочные устройства

  Все пьезоэлектрические материалы демонстрируют механический гистерезис, так как напряжение не следует по одной и той же дорожке при зарядке и разрядке.Гистерезис выражается как максимальная разница между двумя дорожками, деленная на максимальную деформацию, как показано на рисунке ниже. Гистерезис имеет тенденцию уменьшаться с возрастом. Если гистерезис является проблемой для конкретного приложения, для его компенсации обычно используют компенсацию на основе модели или контур обратной связи. Сигнал обратной связи может быть положительным, силовым или диэлектрическим.

  Рисунок, показывающий принципиальную взаимосвязь между деформацией и напряженностью электрического поля

  Взаимосвязь четырех различных материалов

  Гистерезис зависит от типа керамики и амплитуды входного сигнала и может варьироваться от 13% до 20%.

  Материал	Гистерезис (%)
  NCE46	20
  NCE51 / 51F	19
  NCE57	19
  NCE59	13

  На приводах гибки присутствует такой же гистерезис. Однако из-за двухтактной конфигурации он имеет симметричную форму.

  Гистерезис: срезные пластины

  Из-за своей высокой нелинейности срезные пластины демонстрируют гораздо более высокий гистерезис, чем другие типы приводов.Гистерезис при полной амплитуде напряжения составляет порядка 35%. Уменьшение амплитуды напряжения уменьшит гистерезис.

  Смещение в зависимости от напряжения для срезной пластины

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

  В дополнение к нормальной кривой гистерезиса AB, когда приложенное напряжение положительно, диаграмма «бабочка» CDEFG определяет поведение материала через полный цикл положительных и отрицательных рабочих электрических полей. Отрицательные электрические поля создают отрицательную деформацию вдоль кривой C до тех пор, пока поле деполирования (коэрцитивное поле) не становится положительным, следуя кривой D. Процесс повторяется вдоль кривых EFG, когда электрическое поле снова становится положительным. Диаграмма «бабочка» дает полную характеристику процесса деполирования и реполинга.

  Большинство твердых пьезоэлектрических материалов могут быть полностью поляризованы или сняты только при повышенных температурах, поэтому после полюса они могут без труда выдерживать сильные обратные поля.

  Мы не рекомендуем работу в обратном поле для квазистатических приводов. Однако в некоторых случаях это может вызвать дополнительную нагрузку. К недостаткам можно отнести меньшую линейность, повышенный гистерезис и потери. Кроме того, необходимо контролировать температуру, поскольку коэрцитивное поле изменяется в зависимости от температуры (см. «Тепловые свойства»).

  Мягкие пьезоэлектрические материалы легко снимаются под действием электрического поля, противоположного направлению поляризации. Эффект чередования положительных и отрицательных напряжений для различных пьезоэлектрических материалов показан на следующих рисунках:

  Принцип деформации vs.электрическое поле

  Зависимость деформации от электрического поля для NCE46

  Зависимость деформации от электрического поля для NCE51

  Зависимость деформации от электрического поля для NCE57

  Зависимость деформации от электрического поля для NCE59

  Ползучесть

  Пьезоэлектрические материалы проявляют эффект ползучести, то есть материал продолжает расширяться в течение некоторого времени при приложении напряжения. Соответственно, материал не сразу возвращается к исходному уровню деформации после возврата к 0 В. Во время ползучести материал продолжает получать заряд на очень низком уровне.Эффект ползучести для различных материалов привода сравнивается на следующем рисунке, где максимальное электрическое поле устанавливается через 1 с, что соответствует базовой линии смещения (относительное смещение = 1).

  Ползучесть всегда происходит в том же направлении, что и изменение размеров, вызванное скачком напряжения. Эффект является логарифмическим, поэтому дополнительное расширение между 10 и 100 будет аналогично расширению, полученному между 1 и 10. Для линейных / многоярусных приводов типичные значения составляют 4% за декаду при использовании пьезоэлектрического материала NCE51 / 51F и 9% за декаду при использовании NCE46.Для гибочных приводов значения в 2-3 раза выше. Ползучесть связана с долгосрочным средним значением, которое привод испытывал за свой срок службы.

  Ползучесть для NCE46, NCE51, NCE57 и NCE59

  Тепловые свойства пьезокерамического материала

  На электрические и пьезоэлектрические свойства влияют колебания температуры. На каждый пьезоэлектрический материал по-разному влияют изменения температуры, в зависимости от способа производства и химического состава материала.

  Максимальная температура

  Пьезоэлектрические материалы следует использовать при температуре ниже температуры Кюри, чтобы избежать деполирования. Эмпирическое правило — половина температуры Кюри. Если температура повысится до температуры, близкой к температуре Кюри или выше, это приведет к частичному или полному обезвоживанию пьезоэлектрического материала и серьезному ухудшению характеристик. Для применений, требующих работы при повышенной температуре, следует выбирать материал с достаточно высокой температурой Кюри.Максимальные рекомендуемые рабочие температуры указаны для каждого продукта. Важно контролировать температуру, особенно для динамических приложений, где компонент может нагреваться во время работы из-за внутреннего рассеивания.

  Минимальная температура

  Наши многослойные продукты могут использоваться при криогенных температурах и были продемонстрированы до 4 мК. Для этих применений требуется специальная подготовка (проволока, клей и т. Д.).

  Механические и электрические свойства пьезокерамики значительно ухудшаются при криогенных температурах.Когда пьезоэлектрические приводы охлаждаются до криогенных температур, пьезокерамика ведет себя как очень твердый пьезоэлектрический материал с такими характеристиками:

  • Сильное уменьшение электрической емкости
  • Снижение коэффициента потерь
  • Приведенные коэффициенты деформации d33 и d31
  • Значительное улучшение коэрцитивного поля.

  Улучшение коэрцитивного поля при низкой температуре позволяет пьезоэлектрическому актуатору стать чрезвычайно устойчивым к электрическому деполу.Следовательно, возможен гораздо более широкий биполярный режим по сравнению с комнатной температурой. Таким образом, падение коэффициента деформации при низких температурах можно частично компенсировать.

  Ниже приведен пример криогенных измерений при двух разных температурах, показывающий взаимосвязь между ходом (смещением) и напряжением. Как видно, ход при 77 К уменьшается примерно вдвое от значения при комнатной температуре. Из-за сильного увеличения коэрцитивного поля можно также наблюдать, что актуатор демонстрирует довольно линейную характеристику смещения напряжения при отрицательном напряжении.Пьезоэлектрический привод становится чрезвычайно устойчивым к электрическому срыву, а потеря хода при низкой температуре может быть частично компенсирована за счет использования широкого биполярного режима.

  Более проблематичным параметром является коэффициент теплового расширения керамики, который необходимо учитывать при проектировании устройств, в которых пьезоэлектрические приводы будут частью композитной конструкции, а другие элементы конструкций — это, например, металлы. Коэффициент теплового расширения керамики аналогичен многим керамикам и стеклам и обычно находится в диапазоне от 10 ^-5 метр / метр ° C до 10 ^-6 метр / метр ° C.Основное отличие от обычных материалов заключается в том, что коэффициент теплового расширения анизотропен по отношению к направлению полирования.

  Пример криогенных измерений при двух разных температурах

  Изменение максимального смещения в зависимости от температуры

  Как выбрать пьезокерамический материал

  В таблице ниже дается обзор характеристик двух различных пьезокерамических материалов.

  	Мягкий пьезокерамический материал (NCE56)	Мягкий пьезокерамический материал (NCE51)	Твердый пьезокерамический материал (NCE46)
  Высокая деформация (статическое или полустатическое применение)	++	++	–
  Низкий гистерезис	+	–	–
  Низкий эффект ползучести	+	–	— —
  Низкая диэлектрическая проницаемость (низкая емкость)	–	+	++
  Высокая механическая добротность (приложение резонансной частоты)	–	–	++
  Низкий коэффициент диэлектрических потерь (низкий самонагрев)	–	–	++
  Применение при высоких температурах	–	++	++

  Диапазон значений от — до ++, где — низкий, а ++ высокий.

  No related posts.