Piezoelektrický efekt naznačuje spojení mezi mechanickými vlastnostmi křemenného krystalu a elektřinou.
Přímý piezoelektrický efekt objevili bratři Curieové v roce 1880.
Poukázali na to, že když je na křemenný krystal umístěn těžký předmět, objeví se na povrchu krystalu elektrický náboj a množství náboje je úměrné hmotnosti těžký předmět.
V roce 1881 byl graficky znázorněn inverzní piezoelektrický efekt; když bylo na krystal aplikováno napětí, krystal se deformoval v důsledku přetvoření mřížky způsobeného piezoelektrickým efektem.
Když je napětí obráceno, napětí se také obrátí.
Piezoelektrický efekt proto funguje jako vazba mezi obvodem a mechanickými vlastnostmi krystalu.
Za vhodných podmínek je „dobrý“ piezoelektrický rezonátor může stabilizovat frekvenci obvodu oscilátoru.
Z 32 typů krystalů má 20 piezoelektrické efekty (ale z 20 je užitečných jen několik).
Piezoelektrické krystaly nemají střed symetrie.
Když síla deformuje krystalovou mřížku, může být těžiště kladných a záporných nábojů v krystalu odděleno za vzniku povrchových nábojů.
Obrázek ukazuje příklad piezoelektrického jevu krystalu (podle Kelvinova' s kvalitativního modelu).
Každý atom křemíku je reprezentován znaménkem + a každý atom kyslíku je reprezentován znakem a.
Když je krystal prodloužen ve směru Y v důsledku napětí, záporný náboj se posune doleva, zatímco kladný náboj se posune doprava (podél osy X).
Vytváří piezoelektrický efekt.
Elektrostrikce však existuje ve všech dielektrických tělesech.
Sekundární deformace v aplikovaném elektrickém poli (i když je piezoelektrický efekt lineární; s obrácením elektrického pole se deformace také obrátí) částečná elektrostrikce, změna slabého elektrického pole je superponována na konstantní složku, tento jev je stejné jako lineární piezoelektrický ekvivalent; tuto techniku lze použít pro ne Piezoelektrické křemenné krystaly, jako je křemík, ale vazba závisí na mimoosé.
Piezoelektrický efekt V křemeni je všech pět kmenových komponent vyrobeno elektrickými poli.
Níže uvedený model mohou být vyrobeny elektrodami s vhodnými polohami a tvary.
vzrušení.
Smykové napětí vzhledem k ose Z vytvořené složkou Y pole lze aplikovat na rotační řady Y-cut s AT, BT a SC.
Piezoelektrický efekt je lineární.
Obrácení elektrického pole způsobí obrácení napětí, například mechanickou deformaci.
Elektromechanický (také nazývaný piezoelektrický) spojovací koeficient k je důležitou charakteristikou piezoelektrických materiálů; rozsah k je mezi 0 a 1 a je bezrozměrný, to znamená k=8,8% pro krystaly křemene řezané AT, zatímco krystaly křemene řezané křehly krystaly k=4,99%.
Tento koeficient může určovat účinnost piezoelektrické konverze a je rozhodujícím faktorem pro důležitá zařízení, jako je šířka pásma filtru, ztráta vložení, umístění a mezera mezi kritickou frekvencí rezonátoru.
Obrázek výše ukazuje pohybový vzor tělesné vlny (BAW).
Napríklad rezonátory AT-cut a SC-cut jsou režimy vibrací střihu tloušťky.
Nad 100 MHz se často používají složky s podtónem v režimech selektivních harmonických vibrací.
Základní části harmonického režimu nad 100 MHz lze chemicky leštit (mokré leptání řízené difúzí), plazmové leptání a iontové frézování.
Pod 1 MHz lze použít jako tuningovou vidlici, části XY a NT cut (režim ohýbání), X cut (rozšířený režim), CT cut a DT cut režim (režim střihu obličeje).
Díky malým rozměrům a levným tuningovým vidlím má výhodu v nízkofrekvenčních součástkách.
Rychlost šíření zvukových vln v pevných látkách je obecně 3000 m/s (10-5krát vyšší než rychlost světla).
Například u křemenného krystalu řezaného AT je rychlost šíření smykové vlny ve směru smyku 3320 m/s; základní frekvence je v/2h, kde v je rychlost zvukové vlny a h je tloušťka desky.
(Tloušťka desky je polovina vlnové délky.)
Aplikace a princip piezoelektrického jevu
1. Princip piezoelektrického jevu: Princip piezoelektrického jevu spočívá v tom, že pokud je na piezoelektrický materiál vyvíjen tlak, vytvoří potenciální rozdíl (nazývaný pozitivní piezoelektrický efekt) a naopak, pokud je aplikováno napětí, vyvolá mechanické napětí (tzv. inverzní piezoelektrický efekt).
Pokud je tlak vysokofrekvenční vibrace, bude produkovat vysokofrekvenční proud.
Když se na piezoelektrickou keramiku aplikují vysokofrekvenční elektrické signály, generují se vysokofrekvenční akustické signály (mechanické vibrace), což obvykle nazýváme ultrazvukové signály.
Jinými slovy, piezoelektrická keramika má funkci převodu a inverzní přeměny mezi mechanickou energií a elektrickou energií a tato vzájemná korespondence je skutečně velmi zajímavá.
Piezoelektrické materiály mohou generovat elektrická pole v důsledku mechanické deformace nebo mechanické deformace v důsledku působení elektrických polí.
Díky tomuto mechanicko-elektrickému spojovacímu efektu jsou piezoelektrické materiály široce používány ve strojírenství.
Například piezoelektrické materiály byly použity k výrobě inteligentních struktur.
Kromě samonosných schopností mají tyto struktury také funkce jako autodiagnostika, vlastní adaptace a samooprava, které budou hrát důležitou roli v budoucím návrhu letadel.
2. Aplikace piezoelektrického jevu: Oblasti použití piezoelektrických materiálů lze zhruba rozdělit do dvou kategorií: aplikace vibračních energií a aplikací ultrazvukových vibračních energií a elektrických energií, včetně elektroakustických měničů, hydroakustických měničů a ultrazvukových měničů atd., Jakož i dalších senzorů a pohonu aplikace.
1, převodník: Převodník je zařízení, které převádí mechanické vibrace na elektrické signály nebo generuje mechanické vibrace poháněné elektrickými poli.
Piezoelektrická polymerní elektroakustická zařízení využívají postranní piezoelektrický efekt polymerů, zatímco konstrukce měniče využívá ohybové vibrace polymerních piezoelektrických bimorfů nebo piezoelektrických unimorfů poháněných vnějším elektrickým polem.
Výše uvedené principy lze použít k výrobě elektřiny.
Akustická zařízení, jako jsou mikrofony, stereo sluchátka a výškové reproduktory.
Současný výzkum piezoelektrických polymerních elektroakustických zařízení je zaměřen především na využití charakteristik piezoelektrických polymerů k vývoji zařízení se speciálními elektroakustickými funkcemi, kterých je obtížné dosáhnout jinými současnými technologiemi, jako jsou protihlukové telefony, širokopásmové ultrazvukové systémy přenosu signálu Počkejte.
Podvodní akustické měniče piezoelektrických polymerů jsou v počáteční fázi zaměřeny na vojenské aplikace, jako jsou velkoplošná senzorová pole a sledovací systémy pro detekci pod vodou, a poté se postupně rozšířily na geofyzikální detekci, zařízení pro testování akustických vln atd.
Různá prototypová podvodní akustická zařízení vyvinuté tak, aby splňovaly specifické požadavky, používají různé typy a tvary piezoelektrických polymerních materiálů, jako jsou desky, tenké desky, lamináty, válce a koaxiální dráty atd., aby poskytly plnou hru piezoelektrickým polymerům.
Vysoká pružnost, nízká hustota, snadno připravitelné součásti s různé průřezy velkých a malých a akustická impedance je stejná jako u vody.
Poslední funkce umožňuje umístit do měřeného zvukového pole hydrofony vyrobené z piezoelektrických polymerů, aby vnímaly zvukové pole.
Akustický tlak uvnitř a měřené zvukové pole nebudou díky své vlastní existenci narušeny.
Vysoká elasticita polymeru může omezit přechodové kmitání v hydrofonovém zařízení, čímž se dále zvýší výkon piezoelektrického polymerového hydrofonu.
Piezoelektrické polymerní snímače jsou nejúspěšnější aplikací v oblasti biomedicínských senzorů, zejména ultrazvukového zobrazování.
Vynikající flexibilita a tvarovatelnost fólií PVDF usnadňuje aplikaci na mnoho senzorových produktů.
2, piezoelektrický ovladač: Piezoelektrické pohony využívají inverzní piezoelektrický efekt k přeměně elektrické energie na mechanickou energii nebo mechanický pohyb.
Polymerní akční členy jsou založeny hlavně na polymerních bimorfech, včetně použití laterálního a podélného efektu, a aplikace ovladačů na bázi polymerních bimorfů.
Výzkum zahrnuje ovládání zobrazovacích zařízení, systém generování mikroobjemů atd.
Aby byly tyto kreativní nápady prakticky aplikovány, je zapotřebí mnoho zkoumání.
Kopolymer P (VDF-TrFE) ozářený elektronovým paprskem dodává materiálu schopnost produkovat velké napínací napětí, což vytváří příznivé podmínky pro vývoj nových polymerních akčních členů.
Poháněno vyhlídkami potenciálních obranných aplikací, je použití ozářených modifikovaných kopolymerů k přípravě hydroakustických emisních zařízení z celého polymerního materiálu systematicky prováděno za silné podpory americké armády.
Využití vynikajících vlastností radiačně modifikovaného kopolymeru k výzkumu a vývoji jeho aplikací v oblasti lékařského ultrazvuku, redukce vibrací a redukce hluku navíc vyžaduje mnoho zkoumání.
3. Aplikace na senzor Piezoelektrický snímač tlaku:
Piezoelektrický snímač tlaku je vyroben pomocí piezoelektrického jevu piezoelektrického materiálu.
Vzhledem k tomu, že množství elektrického náboje piezoelektrického materiálu je konstantní, je třeba věnovat zvláštní pozornost tomu, aby se při připojení zabránilo elektrickému úniku.
Výhodou piezoelektrických snímačů tlaku je vlastní generovaný signál, velký výstupní signál, vysokofrekvenční odezva, malá velikost a pevná struktura.
Nevýhodou je, že jej lze použít pouze pro měření kinetické energie.
Jsou vyžadovány speciální kabely a samočinná obnova je pomalejší, když je vystavena náhlým vibracím nebo nadměrnému tlaku.
Piezoelektrický snímač zrychlení: Piezoelektrický prvek se obvykle skládá ze dvou piezoelektrických oplatek.
Elektrody jsou naneseny na oba povrchy piezoelektrické destičky a jsou vytaženy přívody.
Na piezoelektrickou oplatku je umístěn masový blok.
Hmotový blok je obecně vyroben z relativně velkého kovového wolframu nebo slitiny s vysokou specifickou hmotností.
Poté pomocí pevné pružiny nebo šroubu a matice předepněte hmotu a celá sestava je nainstalována v kovovém plášti původní základny.
Aby se izolovalo jakékoli napětí testovaného kusu od přenosu na piezoelektrický prvek a zabránilo se produkci falešného signálu, je obecně nutné zesílit základnu nebo zvolit materiál s větší tuhostí.
Hmotnost pouzdra a základny tvoří téměř hmotnost snímače.
Během měření jsou základna senzoru a testovací kus pevně spojeny dohromady.
Když je senzor vystaven vibrační síle, protože tuhost základny a hmotnostního bloku je poměrně velká a hmotnost hmotnostního bloku je relativně malá, lze usoudit, že setrvačnost hmotnostního bloku je malá.
Tímto způsobem má hmota deformační sílu úměrnou zrychlení působícímu na piezoelektrickou oplatku.
V důsledku piezoelektrického účinku piezoelektrické destičky se na jejich dvou plochách generují střídavé náboje (napětí).
Když je frekvence zrychlení mnohem nižší než vlastní frekvence snímače, je výstupní napětí snímače úměrné síle, to znamená, že je úměrné zrychlení zkušebního kusu.
Výstupní výkon je odebírán z výstupu snímače.
Po vstupu do předzesilovače lze zrychlení testovaného kusu vyzkoušet běžným měřicím přístrojem; pokud je k zesilovači přidán vhodný integrační obvod, lze test vyzkoušet.
Rychlost vibrací nebo posun zkušebního vzorku.
4. Aplikace v blízkosti robota (ultrazvukový senzor): Hlavním účelem robota k instalaci senzoru přiblížení je následující: Nejprve získat potřebné informace před dotykem cílového objektu a připravit se na další pohyb; Za druhé, detekovat překážky v pohybovém prostoru rukou a nohou robota' věci.
Pokud jsou nalezeny překážky, musí být včas přijata určitá opatření, aby se zabránilo kolizím; třetí je získat obecné informace o tvaru povrchu cílového objektu.
Ultrazvuk je mechanická vlna slyšitelná lidským uchem s frekvencí nad 20 KHZ.
Zvuk, který lidské uši slyší, frekvenční rozsah vibrací je pouze 20HZ-20000HZ.
Ultrazvukové vlny se díky své krátké vlnové délce a malé difrakci mohou stát zvukovými paprsky a šířit se směrově.
Účelem robota využívajícího ultrazvukové senzory je detekovat existenci okolních objektů a vzdálenost mezi měřenými objekty.
Obecně se používá k detekci větších objektů v okolním prostředí a nemůže měřit objekty se vzdáleností menší než 30 mm.
Ultrazvukový senzor obsahuje čtyři hlavní části: ultrazvukový vysílač, ultrazvukový přijímač, časovací obvod a řídicí obvod.
Jeho princip práce je zhruba následující: Nejprve ultrazvukový vysílač vysílá pulzní ultrazvukové vlny ve směru měřeného objektu.
Poté, co vysílač vydá sérii ultrazvukových vln, sám se vypne a přestane vysílat.
Současně začne ultrazvukový přijímač detekovat signál ozvěny a časovací obvod také spustí časování.
Když ultrazvuková vlna narazí na předmět, odrazí se zpět.
Poté, co ultrazvukový přijímač přijme signál ozny, časovací obvod zastaví časování.
V této době je čas zaznamenaný časovacím obvodem dobou šíření od okamžiku, kdy je ultrazvuková vlna vyslána do okamžiku, kdy je přijat signál ozvěny.
Pomocí hodnoty doby šíření lze vypočítat vzdálenost mezi měřeným objektem a ultrazvukovým senzorem.
Vzor pro tuto konverzi je velmi jednoduchý, to znamená, že výsledek je polovina doby šíření zvukové vlny a rychlosti šíření zvukové vlny v médiu.
Celý pracovní proces ultrazvukového senzoru se provádí postupně pod kontrolou řídicího obvodu.
Kromě výše uvedených použití mají piezoelektrické materiály další poměrně široké aplikace: jako jsou frekvenční diskriminátory, piezoelektrické oscilátory, transformátory, filtry atd.
3. Status quo piezoelektrického jevu: Následující text představuje několik vyvíjených piezoelektrických keramických materiálů a několik nových aplikací.
1, jemnozrnná piezoelektrická keramika: Piezoelektrická keramika v minulosti jsou polykrystalické materiály složené z vícedoménových krystalových zrn několika mikrometrů až desítek mikrometrů a velikost již nemůže odpovídat potřebám.
Snížení velikosti částic na submikronovou úroveň může zlepšit zpracovatelnost materiálu, substrát lze ztenčit, zvýšit frekvenci pole, snížit ztrátu pole měniče, zlepšit mechanickou pevnost zařízení a náklady na vícevrstvé zařízení lze snížit.
TLoušťka vrstvy, čímž se snižuje hnací napětí, je prospěšná pro zlepšení laminovaného transformátoru a brzdy.
Snížení velikosti částic má tolik výhod uvedených výše, ale současně také přináší dopad snížení piezoelektrického jevu.
Aby tento efekt překonali, změnili lidé tradiční dopingový proces, aby zvýšili piezoelektrický efekt jemnozrnné piezoelektrické keramiky na úroveň ekvivalentní té hrubozrnné piezoelektrické keramiky.
Nyní mohou náklady na výrobu jemnozrnných materiálů konkurovat běžné keramice.
V posledních letech lidé používají jemnozrnnou piezoelektrickou keramiku pro výzkum řezání a broušení a vyrábí několik vysokofrekvenčních měničů, mikrobrzd a tenkých bzučáků...
V elektronice se velmi často setkáváme s měřicími obvody - a to nejen v měřicích zařízeních jako takových.
Elektrické a elektronické snímače: jsou speciální součástky, jejichž úkolem je převádět energii z jedné formy na druhou.
V závislosti na své konstrukci a použití se snímače mohou podílet na přeměně mechanické, elektrické, světelné, chemické, tepelné, akustické energie, a také elektrického a magnetického pole a mnoha dalších druhů energie.
Příkladem je mikrofon v mobilních telefonech, kde se zvuk (hlas a okolní hluk) převádí na elektrické signály, které se zesilují na požadovaný rozsah potřebný pro další přenos.
Elektrické signály jsou pak v přijímači převedeny na zvukové signály.
O tom, jak dobře bude snímač fungovat v cílové aplikaci, vypovídají jeho celkové parametry.
Jedním z těchto parametrů je dynamický rozsah vysílače, tj. poměr signálu s vysokou amplitudou k signálu s nejnižší amplitudou, aby snímač mohl efektivně dodávat měřicí signál.
Hlavním úkolem ultrazvukového snímače je převádět elektrické signály na ultrazvukové vlny.
Takový snímač lze nalézt mimo jiné, jako piezoelektrický nebo kapacitní snímač.
Jednou z použití těchto snímačů je měření zvukových vzdáleností na základě odražených ultrazvukových vln.
Snímač teploty slouží k konverzi teploty zařízení na jinou veličinu, jako jsou elektrické napětí, tlak nebo mechanická energie.
Piezoelektrický snímač je speciální typ senzoru a jeho hlavní funkcí je přeměna mechanické energie na elektrickou.
Stejným způsobem lze přeměnit elektrickou energii na mechanickou.
Takový snímač se používá především k detekci úderu paličky na elektronické bicí pady a k detekci pohybu svalů, což se využívá v akceleromiografii.
Snímač tlaku je speciální typ snímače, který převádí tlak na elektrický napěťový signál.
Slouží k měření tlaku určité velikosti, například plynu nebo kapaliny, a to tak, že mění tlak na elektrickou energii.
Mezi hlavní oblasti použití snímačů tlaku patří detekce výšky, tlaku, hladiny nebo hloubky, detekce průtoku a testování těsnosti.
Pomocí senzorů el. proudu lze mimo jiné měřit spotřebu, a tím i zbývající dojezd elektromobilu.
Bez senzorů by provoz moderního vozidla nebyl možný.
V každém vozidle jsou stovky těchto měřicích přístrojů.
V souvislosti s přechodem na elektrický pohon se druhy senzorů ve vozidle mění.
Zatímco senzory pro klasické motory postupně ztrácejí na významu, stále více se prosazují senzory pro měření proudu nebo kvality vzduchu.
Piezoelektrické snímače tlaku se využívají pro přímé i nepřímé měření tlaku v dutinách, které zajišťuje včasnou detekci procesních odchylek, optimalizaci vstřikovacího procesu a zvýšení kvality komponent.
Kompaktní design umožňuje snadnou integraci piezoelektrických snímačů Baumer do multi-kavitních nástrojů v různých průmyslových aplikacích.
Piezoelektrický princip umožňuje přesné měření tlaku i při vyšších teplotách, čímž zajišťuje bezpečný a optimalizovaný výrobní proces.
Chcete se dozvědět více o možnostech využití těchto snímačů ve vaší výrobě? Ozvěte se nám a společně najdeme způsob, jak zvýšit efektivitu a kvalitu vaší výroby.
Výborné technické parametry snímačů, umožňují spolehlivé sledování kvality procesu během vstřikování.
K dispozici verze piezoelektrických snímačů Baumer pro přímé i nepřímé měření tlaku v dutinách.
Provozní teploty 0… 400 ° C, k dispozici zásuvné verze vhodné pro nástroje s více dutinami.
Napište nám.
V případě jakéhokoli dotazu nás neváhejte kontaktovat.
Pochopte piezoelektrický jev!
tags: #piezoelektricke #snimace #ve #vozidle