Пьезоэлемент

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.

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.

Пьезоэлемент

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.

Ломать, не делать

«>Разряд тока, произведенный пьезоэлементом зажигалки, может сломать смартфон. Достаточно будет 8-12 раз «прощелкать» металлические разъемы гаджета, вход для наушников, оголенные части платы. При таком воздействии телефон откажется работать. При этом никаких видимых повреждений или оплавленных элементов не будет. Теперь вы можете с радостью нести сломанный гаджет в салон и требовать возврата денег. В сервисном центре ничего не должны понять.

Но пьезоэлементом газовой зажигалки нельзя вывести из строя обыкновенные «звонилки», сработанные в КНР. Не знаю почему, но даже после 50 ударов слабым током кнопочный телефон продолжил исправно функционировать.

Применение пьезокерамики

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

обычно сводится к четырем категориям: сенсоры, генераторы, силовые приводы, и преобразователи.

В генераторах

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

В сенсорах

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

В силовых приводах

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

В преобразователях

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

Ультразвук Преобразователи Проектирование

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

Свойства и характеристики веществ, обладающих пьезоэффектом

Так как поляризация происходит только во время упругой деформации, важной характеристикой пьезоматериала является его способность изменять форму под действием внешних сил. Величину этой способности определяет упругая податливость (или упругая жесткость)

Кристаллы, обладающие пьезоэффектом, обладают высокой упругостью – при снятии усилия (или внешнего напряжения) они возвращаются к первоначальной форме.

Также пьезокристаллам присуща собственная механическая резонансная частота. Если заставить кристалл колебаться на этой частоте, амплитуда будет особенно большой.

Так как пьезоэффект проявляют не только целые кристаллы, а и пластины из них, нарезанные с соблюдением определенных условий, то можно получать куски пьезовеществ с резонансом на различных частотах – в зависимости от геометрических размеров и направления реза.

Также колебательные свойства пьезоэлектрических материалов характеризует механическая добротность. Она показывает, во сколько раз возрастает амплитуда колебаний на резонансной частоте при равной приложенной силе.

Существует явная зависимость свойств пьезоэлектрика от температуры, которую надо учитывать при использовании кристаллов. Эту зависимость характеризуют коэффициенты:

  • температурный коэффициент резонансной частоты показывает, насколько уходит резонанс при нагревании/охлаждении кристалла;
  • температурный коэффициент расширения определяет, насколько изменяются линейные размеры пьезопластины при изменении температуры.

При определенной температуре пьезокристалл теряет свои свойства. Этот предел называется температурой Кюри. Эта граница индивидуальна для каждого материала. Например, для кварца она составляет +573 °C.

Свойства пьезокерамики

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

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

и , (1)

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

, (2)

  • где – диэлектрическая проницаемость (одна из двух или ), Ф/м
  • t – расстояние между электродами, м,
  • S – площадь электрода, м 2 ,
  • C – емкость, Ф

Виды электроподжига

Механический или полуавтоматический вариант заключается в том, что при повороте регулятора, включающего подачу газа, необходимо одновременно нажать на кнопку пуска, чтобы установленное внутри устройство зажгло газовоздушную смесь. Такая функция не совсем удобна, т. к. надо работать двумя руками.

Автоподжиг действует иначе: при повороте рукояти регулятора газа розжиг его происходит автоматически, искру дает специальная свеча, расположенная рядом с конфоркой. При этом существует небольшой нюанс: перед поворачиванием надо легонько нажать на переключатель, при этом происходит замыкание электрической цепи, между свечой и корпусом конфорки проскакивает искра, воспламеняющая газ.

Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрические вещества (пьезоэлектрики

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

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

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

Вскоре после этого (в 1881 г.) был подтвержден и обратный пьезоэффект

, а именно что такое вещество, расположенное между двумя электродами, реагирует на приложенное к нему электрическое напряжение изменением своей формы. Первый эффект в настоящее время используется для измерений, а второй – для возбуждения механических давлений, деформаций и колебаний.

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

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

Здесь можно кратко пояснить пьезоэлектрический эффект

на примере титаната бария, часто применяемой пьезоэлектрической керамики со сравнительно простой конструкцией элементарной ячейки. Титанат бария ВаТiO3, как и многие другие пьезокерамические вещества, аналогичен по структуре перовскиту (СаТiО3), по которому и назван этот класс материалов. Элементарная ячейка при температурах выше, критической, которая называется также точкой Кюри, является кубической. Если температура ниже этой критической, то элементарная ячейка тетрагонально искажается по направлению к одной из кромок. В результате изменяются и расстояния между положительно и отрицательно заряженными ионами (рисунок 1, для ВаТiO3 вместо Pb — Ba). Смещение ионов из их первоначального положения очень мало: оно составляет несколько процентов параметра элементарной ячейки. Однако такое смещение приводит к разделению центров тяжести зарядов внутри ячейки, так что образуется электрический дипольный момент. По энергетическим условиям диполи соседних элементарных ячеек кристалла упорядочиваются по областям в одинаковом направлении, образуя так называемые домены.

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

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

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

Механическое сжатие или растяжение, действующее на пьезоэлектрическую пластину параллельно направлению поляризации, приводит к деформации всех элементарных ячеек. При этом центры тяжести зарядов взаимно смещаются внутри элементарных ячеек, которые расположены теперь преимущественно параллельно, и в результате получается заряд на поверхности .

Применение пьезоэлектрических датчиков

Пьезоэлектрический датчик может быть активным и пассивным. Первые используются для измерения давления, ускорения, температуры, уровня жидкости и могут выступать в качестве первичных датчиков для расходомеров и толщиномеров. Пассивные используются в микрофонах, акселерометрах и в музыкальных инструментах.

Пьезоэлемент

Пьезоэлектрические датчики также используются для ультразвуковой визуализации, оптических и микро движущихся измерений, электроакустики. Их применяют в различных секторах экономики, таких как здравоохранение, энергетика, газоснабжение, аэрокосмическая промышленность, бытовая электроника и ядерное приборостроение.

Поскольку пьезоэлектрические преобразователи не способны измерять статическое давление, они широко используются для оценки явлений динамического характера, связанных со взрывами, пульсациями или условиями динамически изменяемой среды в автомобильных и ракетных двигателях, компрессорах и других устройствах, работающих под давлением.

Механизм действия пьезоэлемента

Основа здесь — это блок пьезоэлемента, который отправляет от кнопки силу давления на сам пьезоэлемент. Основная составляющая пьезоэлемента — пьезокристалл. Это пластинка, вырезанная из кварцевого кристалла. Ее функция — механическую деформацию превращать в электрическое напряжение. Пластинка очень твердая, способна выдержать значительные изгибы и сжатия и выдавать высокое напряжение.При плавном нажатии на кристалл, выдаваемое напряжение будет невелико, но оно будет длительным. При нажатии на кристалл с той же силой, но быстро и мгновенно — выдаваемое напряжение сильнее, но оно будет моментальным.Поэтому для создания искры в пьезозажигалке используется это свойство кристалла. Для изменения силы удара с плавного на резкий в зажигалке имеется механизм: упругая пружина, которая находится под кнопкой пьезозажигалки. Нажимая на кнопку — сжимается и пружина. После нажатия на кнопку до конца — пружина отодвигает рычажок, на который она опирается. После этого пружина резко распрямляется. На другом конце пружины расположен металлический молоточек, который при раскрытии пружины с огромной скоростью ударяет в кристалл. На обратной стороне кристалла имеется металлическая подкладка, которая не дает кристаллу сдвинуться от движения молоточка.В результате получается мгновенный и сильный удар по кристаллу, который вызывает искру.Пьезоэлемент из зажигалки: что можно сделать? Умельцы научились применять его в ремонте (точнее, в «убийстве») смартфонов или мобильных телефонов. Сразу же появляется логичный вопрос: а зачем индивиду со здоровой нервной системой ломать свой смартфон? Ситуация может быть разной. Кто-то желает сдать телефон по гарантии, так как он ему уже разонравился. Кто-то просто решил приколоться над дружком.

Запальники для пеллет и розжиги поверхностного типа

Сжигаем деревянные пеллеты сохраняя окружающую среду!

Керамические запальники для котлов на деревянных пеллетах затрачивают всего около 1/10 части энергии, по сравлению с генераторами горячего воздуха и вентиляторами. Их мощность от 120 до 200 Вт, в зависимости от расположения элементов розжига в котле, время воспламенения приблизительно 60 секунд, это очень короткое время. Это также означает минимальные выбросы! Как и все изделия компании Раушерт, наши элементы розжига постоянно разрабатываются и оптимизируются. Мы придаем большое значение обслуживанию клиентов и предлагаем индивидуальные решения по запросу.

Вам следует также принимать во внимание тот факт, что Вы покупаете непосредственно у производителя — без посредников!

Наши керамические запальники для деревянных пеллет не оставят вас равнодушными!

  • Готовые к установке решения: высокотемпературный нагревательный элемента на термостойкой керамической основе
  • Воздух может проходить через и вокруг нагревателя, внутри и снаружи нагревателя
  • Температура нагревательного элемента: 1000 °С (1850 °F), в постоянном и переменном действии, в течение короткого времени до 1300 °С (2350 °F)
  • Срок эксплуатации до 100000 циклов нагревания, в зависимости от условий эксплуатации
  • Полностью электрически изолированы внутри и снаружи; нет оголенных электрических контактов!
  • Чрезвычайно стойкие к окислению и коррозии
  • Невосприимчивость к перегреву
  • Розжиг путем нагревания воздуха: благодаря экстремально высокой температуре нагревательного элемента и идеальной геометрической конструкции, воздух разогревается до очень высоких температур за короткое время – идеальный розжиг!
  • Возможен розжиг щепок, дров, угольных брикетов или другой биомассы (кукуруза и т.д.)
  • Защита элементов розжига от шлакования может быть обеспечена с помощью наконечника форсунки.

Технические данные

  • Готовые к установке в стальной трубе с внутренним диаметром = 18 мм или больше (стандарт), или 14 мм (тонкая версия)
  • Размеры: L = 79 мм, d = 18 мм или 14 мм (но регулируется на основе запроса клиента)
  • Напряжение переменного тока: 230 В или 120 В
  • Мощность: 120 — 350 Вт

Загрузки

Пример нестандартного ремонта пьезоэлектрической турбо зажигалки

Красивая, в металлическом корпусе пьезоэлектрическая турбо зажигалка безотказно проработала месяц и внезапно перестала зажигаться.

Пьезоэлемент

Внешний осмотр показал, что при нажатии на клавишу раздавался характерный щелчок, но искра в этот момент не проскакивала. При этом слышно было шипение газа, который воспламенялся при поднесении к зоне его выхода открытого огня. Эти факты указывали на неисправность пьезоэлемента.

Пьезоэлемент

Чтобы снять защитный кожух зажигалки необходимо выкрутить один винт со нижней стороны. Там же находится трубчатый винт регулировки подачи газа и заправочный узел. Для регулировки нужна плоская отвертка с шириной лезвия, равного внешнему диаметру трубки. При вращении по часовой стрелке пламя будет уменьшаться.

Пьезоэлемент

Оказалось, что пьезоэлемент вставлен в корпус резервуара для газа и для его извлечения необходимо резервуар и запальную часть разъединить. Закреплены они были друг с другом с помощью штифта. Для извлечения его пришлось установить на штифт острие керна и нанести по нему молотком несколько легких ударов.

Пьезоэлемент

Когда штифт выдвинется на пару миллиметров, его легко вытащить с помощью кусачек. Если штифт при ударах не захочет сдвинуться с места, то можно попробовать постучать по нему с противоположной стороны.

Пьезоэлемент

На удивление, несмотря соединение половинок зажигалки трубкой для подачи газа в сопло и высоковольтным проводом, они легко отделились. Трубка была из резины и легко снялась, а высоковольтный провод состоял из двух частей, которые просто соприкасались в изоляционной прозрачной трубке.

Пьезоэлемент

Турбо горелка в запальной части держалась за счет плотной установки и с небольшим усилием извлеклась. При сборке ее надо извлекать, так как необходимо будет подогнать длину высоковольтного провода и его заправить в изолирующую трубку.

Пьезоэлемент

При попытке установить вместо неисправного пьезоэлемента пришлось столкнуться с неожиданностью. Размеры штатного пьезоэлемента по сечению были меньше стандартных. Вместо 6,52 мм составил 5,84 мм.

Пьезоэлемент

Пришлось сточить с каждой стороны надфилем по 0,34 мм. Стенки пьезоэлемента, вопреки моим опасениям, оказались достаточной толщины и размер его удалось уменьшить.

Пьезоэлемент

Надо отдать должное простоте и ремонтопригодности этой газовой зажигалки. Она так же легко собралась, как и разбиралась. Проверка показала стабильную работу зажигалки, пламя появлялось при каждом нажатии клавиши.

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.

Пьезоэлектрические материальные уравнения

Поляризованные пьезоэлектрические материалы характеризуются несколькими коэффициентами и соотношениями. Четыре возможные формы для пьезоэлектрических материальных уравнений показаны ниже :

  • Форма механическое напряжение — заряд
  • Форма механическое напряжение — электрическое напряжение
  • Форма деформация — заряд
  • Форма деформация — электрическое напряжение

    ,

  • где {T} — 6×1 вектор механического напряжения, Па,
  • {S} — 6×1 вектор механической относительной деформации (упругая деформация), м/м,
  • {D} — 3×1 вектор электрической индукции (электрическое смещение), Кл/м2,
  • {E} — 3×1 вектор напряженности электрического поля, В/м,
  • [cE/D] — 6×6 матрица коэффициентов упругой жесткости (при постоянной E/D), Н/м2
  • [sE/D] — 6×6 матрица коэффициентов упргой поддатливости (при постоянной E/D), м2/Н,
  • [εS/T] — 3×3 матрица диэлектрической проницаемости (для S = постоянная/T = 0), Ф/м,
  • — 3×6 матрица пьезоэлектрических коэффициентов механического напряжения, Кл/м2 или Н/Вм,
  • — 3×6 матрица пьезоэлектрических коэффициентов деформации, Н/Кл или В/м,
  • — 3×6 матрица пьезоэлектрических коэффициентов заряда (относительной деформации), Кл/Н или м/В,
  • — 3×6 матрица пьезоэлектрических постоянных электрического напряжения (давления), м2/Кл или Вм/Н,
  • t (верхний индекс) — транспонированная матрица
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Денис Серебряков/ автор статьи
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: