Пьезоэлектрический эффект и его применение в технике

Содержание

Физические свойства пьезоэффекта

В ходе исследований было установлено, что пьезоэлектрический эффект присущ кварцу, турмалину и другим кристаллам естественного и искусственного происхождения. Перечень таких материалов постоянно растет. Если любой из этих кристаллов сжать или растянуть в определенном направлении, на отдельных гранях появятся электрические заряды с положительным и отрицательным значением. Разность потенциалов таких зарядов будет незначительной.

Для того чтобы понять природу пьезоэффекта, необходимо соединить электроды между собой и разместить их на гранях кристалла. При кратковременном сжатии или растяжении в цепи, образованной электродами, можно заметить образование короткого электрического импульса. Именно он является электрическим и физическим проявлением пьезоэффекта. Если же кристалл испытывает постоянное давление, в этом случае импульс не появится. Данное свойство кристаллических материалов широко используется при изготовлении точных чувствительных приборов.
Одним из качеств пьезоэлектрических кристаллов является их высокая упругость. По окончании действия деформирующего усилия, эти материалы без всякой инерции принимают свою изначальную форму и объем. Если же прикладывается новое усилие или изменяется приложенное ранее, в этом случае мгновенно образуется еще один токовый импульс. Данное свойство, известное как прямой и обратный пьезоэффект, успешно используется в устройствах, регистрирующих совсем слабые механические колебания.

В самом начале открытия пьезоэффекта решение такой задачи было невозможно из-за слишком незначительной силы тока в колеблющейся кристаллической цепи. В современных условиях ток может быть усилен многократно, а некоторые виды кристаллов имеют довольно высокий пьезоэффект. Ток, полученный от них, не требует дополнительного усиления и свободно передается по проводам на значительные расстояния.

Альтернативный источник энергии посредством преобразователей

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

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

Этот аппарат имеет положительную характеристику.

До сегодняшнего дня совершенствование конструкции не прогнозируется, потому что эффективность и принцип работы доказаны всеми существующими путями.

В процессе технического прогресса, возможно, будут построены плавучие станции.

Преимущественные характеристики устройств

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

В случае с материалом вроде кварца, который близок к идеальному состоянию тела, преобразование механики в заряд электрики возможно с минимальной погрешностью от -4 до -6.

Однако развитие высокоточной техники улучшило способность реализовать точность без потерь.

В результате можно прийти к выводу, что для измерителей сил, давления и прочих элементов наиболее подходящими являются пьезоэлектрические преобразователи.

ПЭП ускорения имеет следующую конструкцию:

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

Пьезоэлектрические устройства

Гидролокатор

Гидролокатор был изобретен в 1900-х годах Льюисом Никсоном. Первоначально он использовался для обнаружения айсбергов. Однако интерес к нему очень сильно возрос в период Первой мировой войны, где он использовался для обнаружения подводных лодок. В наше время гидролокатор является распространенным прибором с большим количеством различного рода применений.

На рисунке ниже показан принцип работы гидролокатора:

А принцип работы довольно прост – передатчик, который использует обратный пьезоэлектрический эффект, посылает звуковые волны в определенном направлении. При попадании волны на объект она отражается и возвращается обратно, где ее обнаруживает приемник.

Приемник, в отличии от передатчика, использует прямой пьезоэлектрический эффект. Он преобразует возвращаемую отраженную звуковую волну в электрический сигнал и передает его в электронную систему, которая и будет производит дальнейшую обработку сигнала. Расстояние от источника сигнала до определяемого объекта вычисляется на основании временных характеристик сигналов передатчик – приемник.

Пьезоэлектрические исполнительные устройства

Ниже показана работа силового привода на основе пьезоэлектрического эффекта:

Работа привода довольно проста – под воздействием приложенного к материалу напряжения происходит его расширение или сужение, которое и приводит привод в движение.

Например, некоторые вязальные машины используют этот эффект для своей работы благодаря его простоте и минимальному количеству вращающихся частей. Такие приводы применяются даже в некоторых видеокамерах и мобильных телефонах в качестве приводов фокусировки.

Пьезоэлектрические громкоговорители и зуммеры

Такие устройства используют обратный пьезоэлектрический эффект для создания и воспроизведения звука. При подаче напряжения к динамикам и зуммерам он начинает вибрировать и таким образом генерирует звуковые волны.

Пьезоэлектрические динамики обычно используют в будильниках или других несложных акустических системах для создания простой аудиосистемы. Эти ограничение вызваны частотой среза данных систем.

Пьезо драйверы

Пьезо драйверы могут преобразовывать низкое напряжение батареи в высокое для питания силовых пьезоэлектрических устройств. Пьезо драйверы помогают инженерам создавать большие значения синусоидального напряжения.

Ниже представлена блок схема, показывающая принцип работы пьезо драйвера:

Пьезо драйвер будет получать низкое напряжение от батареи и повышать его с помощью усилителя. Осциллятор будет подавать на вход драйвера синусоидальное напряжение малой амплитуды, которое в последующем будет повышено пьезо драйвером и отправлено на пьезо устройство.

Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь

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

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

Индивидуальные доказательства

↑ Экберт Геринг; Рольф Мартин; Мартин Сторер: Физика для инженеров . 12-е издание. Springer-Verlag, 2016, ISBN 978-3-662-49354-0 , 9.3.3 Пьезоэлектричество.
Эйити Фукада, Ивао Ясуда: О пьезоэлектрическом эффекте кости . В: Журнал физического общества Японии . Лента12 , вып.10 , 1957, стр.1158-1162 , DOI : .
Моррис Х. Шамос, Лерой С. Лавин, пьезоэлектричество как фундаментальное свойство биологических тканей , Nature, том 213, стр. 267-269, 21 января 1967 г.
Томас Ленц и др., Сегнетоэлектричество и пьезоэлектричество в мягких биологических тканях: новый взгляд на стенки аорты свиньи , Applied Physics Letters (2017), DOI: 10.1063 / 1.4998228 .

Описание устройства и цепей измерения

Пьезоэлектрический преобразователь давления имеет следующую структуру:

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

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

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

Пьезоэлектрические свойства горных пород

Некоторые минералы горных пород обладают пьезоэлектрическим свойством за счёт того, что электрические оси этих минералов расположены не хаотично, а ориентированы преимущественно в одном направлении, поэтому одноимённые концы электрических осей («плюсы» или «минусы») группируются вместе. Это научное открытие было сделано в Институте физики Земли советскими учёными М. П. Воларовичем и Э. И. Пархоменко и занесено в Государственный реестр открытий СССР под № 57 с приоритетом от 1954 г. На основе этого открытия разработан пьезоэлектрический метод геологической разведки кварцевых, пегматитовых и хрусталеносных жил, которым сопутствуют золото, вольфрам, олово, флюорит и другие полезные ископаемые.

расчет

Макроскопическое описание в контексте механики сплошных сред показано ниже. Учитывается только линейное приближение между рассматриваемыми размерами. Нелинейные эффекты, такие как электрострикция , здесь не учитываются.

геометрия

Определение направлений осей

Система координат выбрана для описания пространственно различных свойств . Для индексации обычно используется система координат x, y, z, оси которой обозначены цифрами 1, 2, 3 (ось 3 соответствует оси поляризации). В настриг шерсти на этих осей пронумерованы 4, 5, 6. На основании этих осей, пьезоэлектрические свойства выражаются в уравнениях с тензорами .

Уравнения

Простейшие уравнения пьезоэффекта содержат поляризацию P _pz (единица [Кл / м²]) и деформацию S _pz ( безразмерная величина ):

П.пzзнак равноd⋅Тзнак равное⋅С.{\ Displaystyle P_ {pz} = d \ cdot T = e \ cdot S}

С.пzзнак равноd⋅Э.{\ Displaystyle S_ {pz} = d \ cdot E}

где d, e — пьезоэлектрические коэффициенты, E — напряженность электрического поля (В / м), а T — механическое напряжение (Н / м²). Первое уравнение описывает прямой, второе — обратный пьезоэффект.

Пьезоэлектрические коэффициенты описываются трехступенчатыми так называемыми пьезоэлектрическими тензорами . С одной стороны, у вас есть:

коэффициенты пьезоэлектрических искажений (реакция искажения на электрическое поле)

dяj,kзнак равно∂С.яj∂Э.k{\ displaystyle d_ {ij, k} = {\ frac {\ partial S_ {ij}} {\ partial E_ {k}}}}; с другой стороны

коэффициенты пьезоэлектрического напряжения (реакция механического напряжения на электрическое поле)

еяj,kзнак равно∂Тяj∂Э.k{\ displaystyle e_ {ij, k} = {\ frac {\ partial T_ {ij}} {\ partial E_ {k}}}}

Два коэффициента могут быть связаны с упругими постоянными :

еяj,kзнак равно∑лм(С.яjлм⋅dлм,k){\ displaystyle e_ {ij, k} = \ sum _ {lm} \ left (C_ {ijlm} \ cdot d_ {lm, k} \ right)}

Эффекты второго порядка (обратный пьезоэффект) описываются коэффициентами электрострикции .

Пример структуры матриц коэффициентов для класса кристаллов 4мм , к которому также принадлежит ЦТС

Приведенные выше тензоры обычно переписываются в матричной форме ( нотация Фойгта ). Это дает матрицы с шестивалентными компонентами, которые соответствуют определению оси, показанному выше. Затем пьезоэлектрические эффекты описываются двумя связанными уравнениями, в которых вместо поляризации используется диэлектрическое смещение D.

Д.знак равноd⋅Т+εТ⋅Э.{\ displaystyle D = d \ times T + \ varepsilon ^ {T} \ times E}

С.знак равноsЭ.⋅Т+d⋅Э.{\ Displaystyle S = s ^ {E} \ times T + d \ times E}

εТ{\ Displaystyle \ varepsilon ^ {T}} Диэлектрическая проницаемость при постоянном механическом напряжении

sЭ.{\ displaystyle s ^ {E}} Константа упругости при постоянной напряженности электрического поля

Обычно элементы этих уравнений суммируются в матрице связи. Наиболее важным параметром материала для обратного пьезоэффекта и, следовательно, для исполнительных механизмов является постоянная пьезоэлектрического заряда d. Он описывает функциональную взаимосвязь между напряженностью приложенного электрического поля и создаваемой им деформацией. Характерные размеры пьезоэлектрического преобразователя различны для разных направлений воздействия.

Слева: перекрестный эффект. Справа: продольный эффект

В области приводов важны два основных эффекта. Для этих двух эффектов уравнение разложения упрощается следующим образом

Пьезоэлектрический поперечный или поперечный эффект ( эффект d ₃₁ ). Механическая сила действует поперек приложенного поля.

С.1знак равноs11Э.⋅Т1+d31 год⋅Э.3{\ Displaystyle S_ {1} = s_ {11} ^ {E} \ cdot T_ {1} + d_ {31} \ cdot E_ {3}}
Пьезоэлектрический продольный или продольный эффект ( эффект d ₃₃ ). Механическая сила действует параллельно приложенному полю.

С.3знак равноs33Э.⋅Т3+d33⋅Э.3{\ Displaystyle S_ {3} = s_ {33} ^ {E} \ cdot T_ {3} + d_ {33} \ cdot E_ {3}}

Конструкционные особенности преобразователей

Если необходимо изготовить датчик акселерометра, то важно правильно прикрепить пьезочувствительные пластины к основанию. Это действие осуществляется паянием

Кабель должен соответствовать следующим требованиям:

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

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

Особенности приборов, измеряющих вибрации

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

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

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

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

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

Описание цепей измерения

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

Однако в этом устаревшем пьезоэлектрическом преобразователе были недостатки:

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

Напряжение усилителя и чувствительность определяются допустимой погрешностью, если дополнить включенный стабильный объем С1.

Формула: ys = (ΔCo + ΔCk)/(Co+Ck +C1).

После преобразования получаем: S=Ubx/F.

Если коэффициент увеличивается, соответственно, и эти переменные возрастают.

Для измерительной цепи характерно:

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

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

Пьезоизлучатели

Основу конструкции пьезоизлучателей составляют пьезокерамические преобразователи. Различают пьезоизлучатели, служащие для генерации звука слышимого диапазона и ультразвука.

Пьезоизлучатели звука широко применяются в телефонных аппаратах, часахбудильниках, микрофонах, бытовой технике, офисном оборудовании (ноутбуки, принтеры и др.), системах аварийной, противопожарной и охранной сигнализации, электронных игрушках.

Они также используются в охранных целях в качестве источников зашумления, обеспечивающих защиту от утечки речевой информации в помещениях путем создания заградительного шума. При этом становится возможным нейтрализовать как непосредственное подслушивание в условиях плохой звукоизоляции помещения, так и подслушивание, осуществляемое с помощью специальных технических средств: микрофонов, установленных в полостяхе снт , в надпотолочном пространстве, вентиляционных коробах и т.п.; стетоскопов, установленных в стенах, потолках или полах, а также в трубах водо- (тепло-, и газо-) снабжения и т.п.; лазерных и микроволновых систем съема аудиоинформации с окон и элементов интерьера.

Одним из эффективных применений пьезоизлучателей звука является создание звуковых индикаторов, предназначенных для повышения безопасности вождения автомобилей, особенно в ночное время. Такие устройства препятствуют засыпанию водителя во время движения. Благодаря специальной конструкции их можно закреплять за ухом, так что при глубоком наклоне головы (в момент засыпания) они включатся, генерируя громкий сигнал, который мгновенно будит водителя.

Пьезоизлучатели ультразвука получили большое распространение, прежде всего, благодаря особенностям воздействия ультразвука на различные вещества. В частности, пьезкерамические преобразователи играют роль активных элементов в ультразвуковой (УЗ) аппаратуре, предназначенной для обработки жидких и жидкодисперсных сред (рис. 1.15). При этом под действием ультразвука в этих средах интенсифицируются процессы диспергирования, экстракции, растворения, кристаллизации, очистки, гомогенизирования и др. Разновидностью такой аппаратуры, используемой в быту, являются ультразвуковые стиральные машины.

Рис. 1.15. Ультразвуковые колебательные системы на основе пьезокерамических преобразователей для воздействия на жидкие среды

Подобного рода ультразвуковая аппаратура широко используется для мелкодисперсного распыления жидкостей, например, при сушке кофе, молока, молочных продуктов, растительных лекарственных препаратов, полировальных составов в электронной промышленности.

Важная область применения ультразвуковых пьезоизлучателей – медицина.

В терапии используются разнообразные аппараты, действие которых основано на явлениях, возникающих в биологических тканях при прохождении через них ультразвуковых волн, а именно: локальный нагрев тканей в результате поглощения ультразвука, эффекты физикохимического характера, инициированные ультразвуком, и т.п. (рис. 1.16).

Рис. 1.16. Рабочие наконечники блока ультразвуковой терапии

В хирургии используются непосредственный контакт ультразвукового излучателя с тканью, а также воздействие на ткани фокусированным ультразвуком, что особенно эффективно для создания локальных разрушений в тканях организма.

В стоматологической практике получили распространение ультразвуковые инструменты для механической обработки поверхностей зубов.

Ультрозвуковая аппаратура применяется для приготовления экстрактов из растительного сырья, приготовления кремов, мазей и других лекарственных препаратов.

Одним из хорошо известных применений ультразвуковых пьезоизлучателей является создание устройств отпугивания грызунов и насекомых, которые не переносят действие ультразвуковых колебаний и покидают места своего обитания.