Co dělat, mobilní telefony, vstřikovače nafty, akustická kytara snímače, gril, zažehovače, ultrazvukové snímače, snímače vibrací, některé tiskárny, a hudební blahopřání, všechny mají společné? Kromě toho, že jsou elektronická zařízení, všechny tyto aplikace nějakým způsobem využívají piezoelektřinu. Pojďme prozkoumat, jak piezoelektricita funguje, a podívat se na některé aplikace piezoelektrických materiálů v každodenním životě.
jak funguje piezoelektrický materiál?,
Datovat celou cestu zpět do roku 1880 a přelomové dílo bratři Pierre a Jacques Curie, piezoelektrický efekt se odkazuje na schopnost specifických materiálů — například křemen, turmalín, topaz a Seignettovy soli — produkovat elektrický náboj, když se podrobí mechanickému namáhání. Termín „piezo“ může dokonce vysledovat jeho kořeny zpět do starověkého Řecka, kde jeho významy se týkají akcí tlačení, stlačení a lisování.
žádné piezoelektrické vysvětlení efektu by nebylo úplné bez krátké diskuse o tom, co jsou piezoelektrická zařízení., Dnes díky dalšímu vývoji umělých piezoelektrických materiálů-včetně piezoelektrické keramiky-aplikace piezoelektrické energie v elektronických zařízeních rostou vzrušujícím tempem.
Jak Piezoelektrický Efekt Funguje S Čidly a Motory
Chcete-li začít s, tam je asi více populární použití piezoelektrický efekt, než jako vysoké napětí v elektrické zapalovače a plynové grily., V těchto případech kladivo udeří kus piezo materiálu, který pak produkuje dostatek proudu k vytvoření jiskry, která v jeho přítomnosti zapálí hořlavý plyn. V jiných aplikacích, jako jsou senzory, je však kladivo jako budič piezo materiálu obvykle nahrazeno jinými formami energie, jako jsou zvukové vlny — včetně ultrazvuku.
Když je dáte do práce v senzory, piezoelektrické materiály mohou detekovat i některé z nejvíce minut poruchy a anomálie, což z nich dělá ideální zařízení v průmyslové nedestruktivní testování a lékařské zobrazování.,
v jiných případech mohou piezoelektrické motory provádět vysoce přesné a opakovatelné pohyby. Tato schopnost z nich činí vynikající zařízení pro přesné pohyby citlivých optických zařízení, jako jsou dalekohledy a mikroskopy.
Piezoelektrické Výhody a Nevýhody
ve Srovnání s jinými elektronických součástek, piezoelektrické zařízení mají několik výhod, stejně jako některé nevýhody.,
Jejich výhody patří následující aspekty:
- vyžadován Žádný externí zdroj energie: Díky jejich schopnosti produkovat napětí, když jednal silou, piezoelektrické materiály nevyžadují externí zdroj napájení.
- snadná instalace: s malými rozměry jsou skvělé a snadno se instalují do elektronických zařízení s vysokou hustotou.
- citlivost na vysoké frekvence: ve srovnání s jinými zařízeními mají piezo materiály podstatně vyšší frekvenční odezvu — což z nich činí úžasně citlivé i v těch nejnáročnějších situacích.,
- Vysoce flexibilní materiály: Většinou piezoelektrické materiály mohou být vyrobeny v široké škále tvarů a velikostí, takže jsou velmi užitečné v různých aplikacích a oblastech.
Piezo materiály také zobrazit následující omezení nebo nevýhody:
- Malé množství elektrického náboje: Když jsou self-generování, piezoelektrické materiály produkují poměrně malé elektrické náboje, což znamená vysoké impedance kabelu je nutné připojit je k elektrické rozhraní.,
- podmínky prostředí ovlivňují výkon: Piezo materiály jsou ovlivněny teplotou a změnami vlhkosti. Navíc, zatímco ve statickém stavu, nemohou měřit výstup.
- výstup je relativně nízký: zatímco některé piezo materiály produkují větší výkon než jiné, všechny jsou relativně nízké. Pro optimalizaci jejich použití bude často vyžadován externí obvod.
piezoelektrické senzory v průmyslových aplikacích
průmyslový sektor často používá piezoelektrické senzory pro různá použití., Některé běžné každodenní použití zahrnují:
senzory klepání motoru-výrobci motorů neustále čelí výzvám souvisejícím s řízením parametrů motoru. Za špatných okolností jsou benzínové motory náchylné k nežádoucímu jevu známému jako detonace. Když dojde k detonaci, exploduje vzduch/palivový náboj místo plynulého hoření, čímž dojde k poškození motoru. Historicky, to je důvod, proč většina výrobců navrženy motory s konzervativní provozní marže na úkor účinnosti — bylo, aby se zabránilo tento notoricky známý problém.,
s vývojem lepších řídicích systémů mohou být příslušné parametry motoru nastaveny v reálném čase, aby se maximalizovala účinnost a výkon. Pokud dojde k detonaci, mohou být použity piezoelektrické snímače klepání, aby snímaly detonaci dříve, než se stane problematickou. To dává řídicím systémům čas na provedení požadovaných úprav.
Senzory Tlaku — V téměř jakékoli aplikace vyžadující měření dynamických změn tlaku pomocí piezoelektrických snímačů tlaku přináší spolehlivější výsledky než použití konvenční elektromechanické senzory tlaku., Je to proto, piezoelektrické zařízení mají vysokou frekvenční odezvu a převod signálu bez nutnosti jakékoliv měchy, membrány, nebo jakýkoliv typ mechanického spojovacího ve spojení s tenzometry nebo posunutí snímače.
sonarové zařízení-hloubkové sirény a sonarové zařízení se značně spoléhají na piezoelektrické senzory pro přenos a příjem ultrazvukových „pingů“ v rozsahu 50-200kHz. Kromě ideální frekvenční odezvy pro takové aplikace mají piezoelektrické měniče vysokou hustotu výkonu, která umožňuje přenos velkého množství akustické energie z malého balení., Například převodník, který má průměr pouze 4″ (100 mm), může být schopen zvládnout výkon vyšší než 500 wattů.
Použití Piezoelektrické Pohony v Průmyslových Aplikacích
Zatímco piezoelektrické senzory jsou vysoce hodnotné průmyslové odvětví, průmysl také využívá piezoelektrické pohony pro řadu aplikací:
Vstřikovače Nafty — V posledním desetiletí, předpisy o emisích z dieselových motorů jsou stále přísnější. Zákazníci navíc nadále požadují tišší motory se zlepšenými křivkami výkonu a točivého momentu., Za účelem splnění těchto přísných požadavků na dodržování a výkon se výrobci motorů uchýlili k použití přesně načasovaných a měřených injekcí paliva během spalovacího procesu.
Jako neuvěřitelné, jak to může znít, jednoho vstřikovače paliva může spínače průtoku paliva s tlaky vyšší než 26,000 psi (1800 bar) zapnout a vypnout několikrát v rychlém sledu během jednoho pracovního zdvihu. Takové přesné ovládání vysokotlaké kapaliny je možné pomocí piezoelektrických pohonů ovládajících malé ventily v vstřikovačích paliva.,
Rychlá Odezva Elektromagnety — Některé procesy vyžadují rychlé a přesné, mechanické ovládání, které je obtížné, ne-li nemožné, dosáhnout elektromagnetické solenoidy. Zatímco rychlost nemusí být vždy problémem, spotřeba energie nebo kompaktnost velikosti je nejvyšší prioritou. V takových případech jsou piezoelektrické pohony často schopny vyplnit výklenek, protože poskytují rychlou odezvu a nízkou spotřebu energie v malých obalech ve srovnání s elektromagnetickými solenoidy.,
optické nastavení-některá optika musí být nastavena nebo modulována se širokou frekvenční odezvou as minimálním počtem pohyblivých částí. Piezoelektrické pohony jsou často zaměstnáni v takových aplikacích, kde poskytují rychlé a přesné ovládání dlouhá životnost:
– úhel zrcadla nebo difrakční mřížka, může být třeba právě rozmanité podle elektrického příkonu. Takové aplikace se často vyskytují v optických nebo fyzikálních experimentech.,
– pole pozemských dalekohledů podléhají atmosférickému zkreslení a optika kosmických lodí podléhá pohybu a vibracím. V takových případech může být nutné optiku upravit (tvarovat nebo tvarovat) v reálném čase pomocí řídicího systému. To bude kompenzovat odchylky, které by jinak bránily rozlišení obrazu.
– některé měniče optických vláken se spoléhají na piezoelektrické pohony pro modulaci výstupu laseru.
Ultrazvukové čištění-piezoelektrické pohony se také používají pro ultrazvukové čištění., Pro ultrazvukové čištění jsou předměty ponořeny do rozpouštědla (voda, alkohol, aceton atd.). Piezoelektrický převodník pak míchá rozpouštědlo. Pomocí této metodiky lze vyčistit mnoho objektů s nepřístupnými povrchy.
ultrazvukové svařování-mnoho plastů lze spojit pomocí procesu známého jako ultrazvukové svařování. Tento typ procesu vyžaduje, aby ultrazvukové vlny byly přenášeny do zaostřené oblasti, kde mohou způsobit, že se kusy plastu spojí. K dosažení tohoto úkolu se často používají piezoelektrické pohony.,
Piezoelektrické Motory — Jednou z výhod použití piezoelektrických materiálů je, že jejich vlastnosti jsou přesné a předvídatelné. Expanzi a kontrakci piezoelektrického aktuátoru lze tedy přesně řídit, pokud je řízeno napájecí napětí. Některé konstrukce motoru využívají tuto skutečnost pomocí piezoelektrických prvků k pohybu rotoru nebo lineárního prvku v přesných krocích. Přesnost v řádu nanometrů lze dosáhnout u některých návrhů piezo motorů. Piezo motory pracují na širokém rozsahu frekvencí, ale obvykle fungují nejlépe v nízkofrekvenčním rozsahu.,
kromě vlastní přesnosti mohou být piezoelektrické motory použity v prostředích se silnými magnetickými poli nebo kryogenními teplotami — prostředí, kde konvenční motory pravděpodobně nebudou fungovat. Tyto jedinečné výzvy jsou přítomny ve strojích NMRI, urychlovačích částic a dalších podobných prostředích.
Stack Actuators-více piezoelektrických prvků může být naskládáno, aby se znásobil posun dosažený pro dané napětí. Tyto typy zařízení jsou známé jako pohony zásobníku a jsou používány v různých speciálních aplikacích., Ve srovnání s konvenčními elektromagnetickými pohony mají pohony zásobníku následující jedinečné výhody:
– mohou fungovat při kryogenních teplotách nebo v prostředích se silnými magnetickými poli.
– mohou produkovat velké množství síly v malém balení.
– mohou reagovat téměř okamžitě na vstup s vysokou mírou akcelerace.
– mohou dosáhnout extrémně vysokých stupňů přesnosti.
– spotřebovávají energii pouze tehdy, když se práce skutečně provádí.,
Tyto pohony najít své využití v regulační ventily, elektrické relé, optické modulace, tlumení vibrací a další aplikace, které vyžadují rychlé a přesné ovládání pohybu.
Stripe Pohony — Dva proužky z piezoelektrického materiálu může být obložené spolu v konfiguraci, která je podobná bimetalu. V této konfiguraci elektrický vstup způsobí, že se jeden proužek rozšíří, zatímco druhý proužek se současně uzavře, což způsobí vychýlení.,
piezoelektrická relé-piezoelektrické prvky mohou být implementovány pro ovládání elektromechanických relé nebo spínačů. Pro tyto aplikace mohou být k otevření a uzavření elektrických kontaktů použity buď páskové pohony nebo pohony zásobníku. Taková zařízení jsou bezúdržbová a vydrží mnoho cyklů bez znatelného opotřebení. Jako další výhoda, pomocí piezoelektrických pohonů pro provoz elektrických kontaktů umožňuje rychlé a přesné řízení v malých baleních, které jsou buď obtížné nebo nemožné dosáhnout s elektromagnetickými relé.,
Použití Piezoelektrických Snímačů v Lékařské Aplikace
podívejte se, jak lékařské oblasti také implementuje piezoelektrické senzory pro různé day-to-day aplikací:
Ultrazvukové Zobrazovací — Piezoelektrické snímače jsou často používány v lékařské ultrazvukové zařízení. Pokroky ve vybavení v průběhu desetiletí umožnily lepší sledování těhotenství a usnadnily minimálně invazivní chirurgické zákroky.,
Ultrazvukové Postupy — Některé non-invazivní léčebné postupy se spoléhají na použití, zaměřené ultrazvukové vlny rozbít ledvinové kameny nebo zničit maligní tkáně. Navíc příchod harmonického skalpelu umožnil chirurgům současně vyříznout a koagulovat tkáň během chirurgického zákroku bez nutnosti kauterizace. To vede k menšímu poškození tkáně, menší ztrátě krve a rychlejšímu hojení.
piezoelektrické pohony ve spotřební elektronice
Co Spotřební elektronika a technologie, které se prodávají v obchodech po celé zemi?, Neznámý pro mnoho spotřebitelů, piezoelektrické aktuátory se používají v elektronice všude:
Piezoelektrické Tiskárny — Obecně řečeno, existují dva hlavní typy tiskáren, které používají piezoelektrické pohony:
– jehličkové tiskárny — V piezoelektrické jehličkové tiskárny, piezoelektrické pohony v tiskárně hlavy přesunout jehla-jako kolíky, které „hrabat“ přes pás inkoustové pásky (podobné psacímu stroji) proti kus papíru v různých vzorů na podobu postavy. Pro většinu aplikací bylo použití jehličkových tiskáren nahrazeno jinými technologiemi., Nicméně, dot-matrix tiskárna je jedinou technologií tiskárny schopnou generovat duplicitní a trojité výtisky z uhlíkových kopií.
– inkoustové tiskárny — V piezoelektrické inkoustové tiskárny, piezoelektrické pohony v tiskárně hlavy jednat o malé membrány nebo jinak měnit geometrii kalamáře tak, že kapičky inkoustu jsou nuceni z trysky na papír. Jedná se o jednu z dominantních technologií na trhu tiskáren.,
piezoelektrické reproduktory-piezoelektrické reproduktory jsou obsaženy prakticky v každé aplikaci, která potřebuje efektivně produkovat zvuk z malého elektronického gadgetu. Tyto typy reproduktorů jsou obvykle levné a vyžadují jen málo energie k výrobě relativně velkých objemů zvuku., Tak, piezoelektrické reproduktory jsou často nalezené v zařízení, jako jsou následující:
– Mobilní telefony
– Ušní pupeny
– Zvuk-produkujících hračky
– Hudební blahopřání
– Hudební balónky
Piezoelektrický Bzučák — Piezoelektrický bzučák jsou podobné piezoelektrické reproduktory, ale oni jsou obvykle navrženy s nižší věrnost produkovat hlasitější hlasitosti než užší frekvenční rozsah., Bzučáky jsou používány ve zdánlivě nekonečnou řadu elektronických zařízení, včetně:
Piezoelektrické Zvlhčovače vzduchu — Mnoho chladné mlhy zvlhčovače použít piezoelektrický převodník k přenosu ultrazvukové energie do bazénu. Ultrazvukové vibrace způsobují jemné kapičky vody odtrhnout a atomizace z povrchu bazénu, kde se stanou unášen v proudu vzduchu a zadejte požadovaný prostor.
Elektronické zubní Kartáčky — Lineární piezoelektrické pohony jsou implementovány vibrace štětin v nějaké elektronické zubní kartáčky.,
piezoelektrické materiály pro hudební aplikace
kromě technologických a průmyslových aplikací, piezoelektricita také prospívá umění. Tam jsou různé hudební aplikace, které používají piezoelectricity:
Nástroj Snímače — Mnoho akusticko-elektrické strunné nástroje využívají piezoelektrické snímače přeměňují akustické vibrace na elektrické signály. Typicky je pás piezoelektrického materiálu umístěn mezi tělem přístroje a strukturou, která podporuje řetězce., Například akusticko-elektrická kytara obvykle sídlí svůj piezoelektrický pás pod mostem a v sedle. Jak řetězce vibrují, pás je rozrušený, aby generoval elektrický signál. Elektrické snímače na housle, violy a violoncella použít stejný koncept, ale piezoelektrické pickup může být upnuta k mostu nebo integrované v mostě — místo toho, že se nachází mezi mostem a nástroje těla.,
Mikrofony — mikrofony (jako jsou kontaktní mikrofony pro bicí nástroje), použití piezoelektrických materiálů pro převod zvukových vibrací na elektrický výstup. Tyto mikrofony mají obecně vysoké výstupní impedance, které musí být přizpůsobeny při navrhování příslušných předzesilovačů.
použití Piezoelectricity v jiných aplikacích
máte aplikaci, která nebyla uvedena v seznamu? Zajímá Vás, jestli můžete použít piezoelektřinu?, Následující použití piezoelectricity představují další možnosti pro vaše odvětví:
Piezoelektrické Zapalovače — To je možná nejvíce dobře-známé a všudypřítomné použití piezoelectricity. V piezoelektrické zapalovače, tlačítko nebo spoušť se používá k kohout a uvolněte pružinové kladivo a kladivo se používá na stávku tyč ve tvaru piezoelektrické keramiky. Náhlý mechanický šok pro piezoelektrické keramické dochází k rychlému nárůstu napětí, které je dostatečně vysoké na skok značný jiskřiště a zapálení paliva., Piezoelektrické zapalovače se běžně používají pro zapalovače butanu, plynové grily, plynové sporáky, dmychadla a improvizované bramborové děla.
Výroba elektřiny-některé aplikace vyžadují odběr energie z tlakových změn, vibrací nebo mechanických impulzů. Sběr energie je možný pomocí piezoelektrických materiálů k přeměně průhybů nebo posunů na elektrickou energii, která může být použita nebo uložena pro pozdější použití.,
Mikroelektronických Mechanických Systémů (MEMS) — MEMS zařízení se staly samozřejmostí, více integrované schopnosti jsou potřebné v menších obalech, jako jsou mobilní telefony, tablety, počítače, atd. Výhodou zařízení MEMS je, že gyroskopy, akcelerometry a inerciální měřicí zařízení mohou být integrovány do balíčků velikosti čipů. K dosažení takového výkonu se často používají piezoelektrické pohony a senzory.,
tenisové rakety-poněkud neobvyklá aplikace pro piezoelektricitu integruje piezoelektrická vlákna do hrdla tenisové rakety spolu s mikrokontrolérem v rukojeti. Když tenista udeří míč, rám rakety se odrazí a generuje elektrický výstup, který je posílen, obrácen a přiváděn zpět do vláken. Jedná se o pokus o destruktivní rušení a tlumení strukturálních vibrací.,
Použití Piezoelectricity v Obranné Aplikace
Pokud jste součástí obranného průmyslu, můžete použít piezoelectricity pro řadu aplikací:
Micro Robotiky — V oblasti malé robotiky, malý výkon-efektivní mechanické pohony a senzory jsou potřeba. S použitím piezoelektrických pohonů je technicky možné postavit něco tak malého jako robotická moucha, která se může plazit a létat. Cílem nové oblasti robotické technologie známé jako Micro Air Vehicles je ve skutečnosti vybudovat Malé drony o velikosti hmyzu nebo ptáků, kteří létají pomocí mávacích křídel., Ovládají povrchy stejně jako ptáci a hmyz. Tyto typy výkonů při miniaturizaci jsou možné částečně pomocí piezoelektrických pohonů.
Kurs-měnící se kulky — nedávno DARPA vynalezl .Kulka ráže 50, která může změnit kurz v polovině letu. Stejně absurdní, jako tato inovace může znít pro některé čtenáře, kulka používá optický senzor, který je umístěn na jeho nos ve spojení s řídicím systémem a pohyblivé ocasní ploutve řídit sebe k laser-světelné cíl., Ačkoliv DARPA o jejich extrémní přesnosti příliš neprozradil, nejpravděpodobnější způsob manipulace s ocasními ploutvemi pravděpodobně zahrnuje piezoelektrické pohony.