для чего в конструкции пьезодатчика давления параллельно соединяют несколько пьезопластинок

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Что такое пьезоэлектрический датчик – как он работает, области применения

Что такое пьезодатчик и зачем он нужен

Пьезо – это греческий термин, обозначающий «пресс» или «сжатие». Пьезоэлектричество (также называемое пьезоэлектрическим эффектом) – это наличие электрического потенциала по бокам кристалла, когда механическое напряжение прикладывается путем его сжатия. В работающей системе кристалл действует как крошечная батарея с положительным зарядом на одной стороне и отрицательным зарядом на противоположной стороне. Чтобы сформировать целостную цепь, две грани соединены вместе, и через эту цепь проходит ток.

В качестве примера пьезоэффекта можно вспомнить зажигалки. В них генерируется электрический импульс из-за силы, возникающей при внезапном воздействии спускового механизма на материал внутри.

Эффект пьезоэлектричества обратимый. Всякий раз, когда электрическое поле прикладывается к клеммам кристалла, пьезодатчик испытывает механическое напряжение, что приводит к изменению формы. Это известно как обратный пьезоэлектрический эффект.

Такой эффект можно наблюдать в кварцевых часах. В повседневной работе наручные часы используют кварцевый резонатор, который работает как генератор. Используемый элемент – диоксид кремния. Когда на кристалл подается электрический сигнал, кристалл вибрирует, что помогает периодически регулировать механизм внутри часов. Также хорошим примером являются пьезо-зуммеры. В данном случае определенное количество напряжения со значением величины и частоты прикладывается к кристаллу, что заставляет кристалл вибрировать. Вибрация превращается в звук.

Когда датчик работает по принципу пьезоэлектричества, он называется пьезоэлектрическим датчиком. Пьезоэлектричество – это явление, при котором электричество генерируется, если к материалу прикладывается механическое напряжение. Датчик, который использует пьезоэлектрический эффект для измерения изменений ускорения, деформации, давления и силы путем преобразования их в электрический заряд, называется пьезоэлектрическим датчиком. Это произведенное пьезоэлектричество пропорционально напряжению, приложенному к подложкам из прочного пьезоэлектрического кристалла.

Когда к пьезоматериалу применяется давление или ускорение, на гранях кристалла генерируется эквивалентное количество электрического заряда. Электрический заряд будет пропорционален приложенному давлению. Пьезоэлектрический датчик нельзя использовать для измерения статического давления. При постоянном давлении выходной сигнал будет нулевым. Работу пьезоэлектрического датчика можно обобщить следующим образом.

Схема пьезоэлектрического датчика показана далее. Она состоит из внутреннего сопротивления Ri, которое также известно как сопротивление изолятора. Дроссель генерирует индуктивность из-за инерции датчика. Значение емкости Се обратно пропорционально упругости материала датчика. Для получения полного отклика датчика сопротивление нагрузки и утечки должно быть достаточно большим, чтобы поддерживать низкую частоту.

Пьезоэлектрические датчики используются для измерения динамического давления. Измерение динамического давления предусматривается в таких областях, как измерение турбулентности, сгорания в двигателя и т. д. Изменения давления жидкостей и газов при измерениях давления в цилиндрах гидравлического процесса можно измерять с помощью пьезорезистивных датчиков давления.

Когда сила прикладывается к пьезоэлектрической диафрагме, она генерирует электрический заряд на гранях кристалла. Выход измеряется как напряжение, которое пропорционально приложенному давлению.

Эффект применяется и в ультразвуковых датчиках. Ультразвуковые датчики генерируют ультразвуковые волны. Это свойство применяется, например, в медицине. Звуковые волны передаются через ткани тела. Волны отражаются назад, чтобы создать образ ткани. Это принцип работы ультразвуковой системы визуализации. При этом пьезоэлектрические кристаллы прикрепляются к передней части преобразователя, что помогает генерировать ультразвуковые волны. Электроды действуют как связующий узел между кристаллами и машиной. Когда электрический сигнал подается на кристалл, он из-за вибрации генерирует ультразвуковую волну с частотами от 1,5 до 8 МГц.

Помимо этого пьезоэлектрический датчик используется в датчиках детонации двигателя, датчиках давления, в дизельных топливных инжекторах, оптической настройке, ультразвуковой очистке и сварке, в музыкальных инструментах и приборах, таких как звукосниматели и микрофоны и т.п.

Источник

Что такое пьезоэлектрический датчик

Пьезоэлектрический датчик (ПД) — это устройство, используемое для обнаружения или измерения различных типов физических величин в окружающей среде. Входным сигналом может быть свет, тепло, движение, влажность, давление и вибрация.

Генерируемый выходной электрический сигнал, образуется пропорционально приложенному входному сигналу. Он передается по сети для дальнейшей обработки. В зависимости от измеряемого входного сигнала существуют различные типы датчиков.

Определение пьезоэлектрического датчика

Этот датчик работает по принципу пьезоэлектричества, когда при механическом давлении на материал, генерируется электрическая энергия. Не все материалы обладают пьезоэлектрическими характеристиками. Существуют несколько типов пьезоэлектрических материалов применяемых в ПД — это, в основном, природный монокристалл кварца и искусственно изготовленная пьезокерамика.

Кварц является доступным в природе минералом, поэтому такие пьезоэлектрические преобразователи, как правило, имеют невысокую стоимость. Турмалин — полудрагоценная форма кварца, обладает субмикросекундной чувствительностью и полезен при измерении очень быстрых переходных процессов. Может обеспечить как хорошую линейность, так и пониженную температурную чувствительность. Такие устройства применяются при высокоточных измерениях и имеют высокую стоимость.

Пьезоэлектрическим датчиком измеряются физические величины: ускорение и давление. Датчик давления, или пьезометрический датчик, и ускорения работают по одному и тому же принципу пьезоэлектричества. Различие между ними заключается в варианте воздействия на чувствительный элемент.

Принцип работы

Пьезоэлектрический кристалл помещается между двумя металлическими пластинами, которые находятся в идеальном равновесии, даже если они не расположены симметрично. Пластины прикладывают к материалу механическое напряжение или силу, в результате чего электрические заряды кристалла выходят из равновесия.

На его противоположных гранях создается избыточный положительный и отрицательный заряд. Металлическая пластина аккумулирует эти заряды, создавая напряжение и ток, тем самым преобразуется механическая энергия в пьезоэлектричество.

Важно! При приложении давления к мембране, пьезоэлектрический материал нагружается и начинает генерировать электрический ток с напряжением, пропорциональным входному давлению. Такие устройства также известны, как первичные преобразователи.

Технические характеристики пьезокерамического датчика

При определении пьезоэффекта важно понимать поведение кристаллов. Они могут работать от продольных или поперечных сил, и нечувствительны к электрическим полям и электромагнитному излучению. Они создают линейный отклик в очень широком диапазоне температур, что делает их идеальными измерительными устройствами для работы в суровых климатических условиях.

Основные характеристики пьезоэлектрических датчиков:

Важно! Из-за своей высокой гибкости кварц является наиболее предпочтительным материалом в качестве ПД. Помимо этого, некоторые характеристики пьезоэлектрических первичных измерителей включают порог срабатывания, ошибки, время индикации.

Пьезокерамический датчик обладает рядом преимуществ, таких как:

К недостаткам таких ПД относится их повышенная чувствительность к колебаниям температуры, что требует применения специальных кабелей и систем усиления.

Поскольку применения таких ПД в промышленности требует от них точности измерения, систему усиления сигнала моделируют под каждый измеряемый параметр. Например, если технологическое давление изменяется в широком диапазоне, предпочтительным выбором являются датчики давления с хорошей линейностью и низким гистерезисом.

Колебания окружающей температуры и температуры процесса вызывают ошибки в измерениях давления, особенно в среде с низким показателем или небольшим его перепадом. В таких случаях используют термокомпенсаторы.

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.

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.

Видео по теме

Источник

Пьезоэлектрический эффект, применение в науке и технике

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:

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

Суть пьезоэлектрического эффекта и его основные свойства

Первые сообщения о пьезоэлектрическом эффекте были опубликованы в 1880 году во Франции братьями Кюри. Они установили, что при механической деформации кварца и некоторых иных кристаллических материалов давлением, сжатием, растяжением и кручением на нем появляется электрический заряд. Авторы открытия назвали подобные заряды пьезоэлектричеством от греческого слова «давить». Соответственно, материалы, обладающие таким свойством, были отнесены ими к группе пьезоэлектриков.

Замечательное качество пьезоэлектрического эффекта – его обратимость, что иллюстрирует рисунок 1. Иначе говоря, любой пьезоэлектрический материал не только создает электрический заряд при давлении, но и начинает менять свой объем при нахождении в электрическом поле.

Рисунок 1. Прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты

Пьезоэлектрические устройства широко распространены в современной технике. Этому способствуют:

Немаловажное значение приобретает тот факт, что величина как самого заряда, так и механических перемещений в ряде случаев достаточны для их непосредственного использования без привлечения дополнительных усилителей

Дополнительные пьезоэффекты

Кристалл может поляризоваться при воздействии на пластинку сил на осях X, Y. Если действует сила F_x, то проявляется продольный эффект, а когда F_y – поперечный, при F_zзарядов не возникает. Кварцевый кристалл располагается на трех осях координат. Чтобы использовать пьезоэлектрические измерительные преобразователи, необходимо вырезать пластинку, которая укажет на эффект. Она имеет следующее описание:

Кварцевые пластинки применяются только в преобразователях, которые измеряют давление и силу. С учетом твердости материал сложно обработать, поэтому из него создают простую форму. Модуль постоянен при неизменяемой температуре. Если она увеличивается, то в этом случае происходит уменьшение модуля. Пьезоэлектрические свойства исчезают при температуре в 573 градуса по Цельсию.

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:

Напряжение усилителя и чувствительность определяются допустимой погрешностью, если дополнить включенный стабильный объем С₁. Формула: y_s = (ΔC_o+ ΔC_k)/(C_o+C_k+C₁). После преобразования получаем: S=U_bx/F. Если коэффициент увеличивается, соответственно, и эти переменные возрастают. Для измерительной цепи характерно:

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

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.

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 называется прямым пьезоэлектрическим эффектом и был открыт в 1880 г. братьями Кюри.

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)

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 пьезоэлектрического преобразователя

Описание устройства и цепей измерения

Пьезоэлектрический преобразователь давления имеет следующую структуру:

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: S_q= q/F или U_xx = d₁₁·F/C_o.

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[править | править код]

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

Пьезоэлектрический преобразователь имеет следующие достоинства:

ПЭП ускорения имеет следующую конструкцию:

Невзирая на массу, датчик достаточно стабилен и плотен. Работает в диапазоне 150 м/с2.

Производство пьезоэлементов

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

570 °С), что позволяет создавать пьезоэлементы для работы при высоких температурах.

Рисунок 7 – Порошок для изготовления пьезоэлемента

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.

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.

Использование пьезоэффекта в технике

Прямой пьезоэффект используется:

Обратный пьезоэлектрический эффект используется:

Прямой и обратный эффект одновременно используются:

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.

Области применения пьезоэлектрического преобразователя

Устройства с прямым эффектом используются в приборах, которые измеряют силу, давление, ускорение. У них высокий уровень частоты и жесткости. Аппараты с обратной связью применяют в ультразвуковых колебаниях, преобразовании напряжения в деформацию, уравновешивания. Если одновременно учитывают оба эффекта, то этот вариант подходит для пьезорезонаторов, которые преобразуют один вид энергии в другой достаточно быстро.

Положительные устройства, включенные в обратное направление, работают на автоматических колебаниях и применяются в генераторах. Область их применения обширна, так как они имеют высокую стабильность при правильном создании. Зачастую для достижения нужного эффекта и получения верных сведений используют несколько пьезорезонаторов.

Прямой и обратный пьезоэффект

Для прямого эффекта характерно следующее: используемый кристаллический материал образует решетку за счет заряженных ионов, расположенных в определенном порядке. В процессе разноименные частицы чередуются и производят взаимную компенсацию, в результате получается электрическая нейтральность. Кристаллы имеют особенности, которые обозначены следующим образом:

Если используемый материал в процессе направлен на силу F_x, то он деформируется, расстояние между положительными и отрицательными зарядами меняется, и происходит электризация направления в заданной оси. Все это выражается в формуле q = d₁₁F_x и является пропорциональным для силы. Коэффициент связан с веществом и его состоянием, имеет название – пьезоэлектрический модуль. Индексы определены силой и гранью, но если изменить направление, то эффект станет иным.

Пьезоэлектрический преобразователь при прямом процессе электризует кристаллы под воздействием внешних сил. Этот эффект возникает при влиянии веществ, являющихся электриками. Чтобы изготовить измерительные приборы, понадобятся кристаллы кварца. То есть принцип действия пьезоэлектрического преобразователя следующий: при прямом эффекте воздействие осуществляется через механику, а при обратном происходит деформация кристаллов.

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.

Некоторые области применения

Приведем только некоторые примеры пьезоэлектрической техники массового применения.

Ручная пьезозажигалка поступила в массовую продажу еще в 70-е гг. прошлого столетия. Электричество, появляющееся на кристалле при нажатии на клавишу, поступает на электроды, между которыми при разряде проскакивает искра и поджигает газ. В настоящее время встроенными элементами, рисунок 2 комплектуются газовые плиты средних и старших моделей.

Рисунок 2. Встраиваемый пьезоэлемент газовой плиты

Пьезофильтр популярен в электронике за счет того, что как механическая система пьезокристалл обладает очень высокой колебательной добротностью. В результате с его помощью можно существенно снизить ширину полосы расфильтровки и эффективно отделять сигналы друг от друга.

Гидролокатор использует кристалл как излучатель зондирующих акустических волн и приемник сигналов, отраженных от любого подводного препятствия (дно, рыба, дерево-топляк, подводная лодка и т.д.), рисунок 3.

Рисунок 3. Рабочий элемент рыболовного гидролокатора

Микроподвижки элементов фокусировки телекамер, электронно-механических коммутаторов оптических сигналов и иных элементов. Выгодны тем, создают линейное движение непосредственно без промежуточного преобразования из вращательного.

Зуммеры мобильных телефонов, которые сигнализируют вибрацией о вызове в беззвучном режиме.

Пьезоголовки струйных принтеров для управления процессами нанесения чернил на бумагу.

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

Что такое пьезоэлектрический эффект

Фоторезистор: основные параметры

Для чего нужно УЗО

Тяговый электродвигатель: назначение и применение

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.

Ультразвук
Преобразователи
Проектирование

Источник