Hvad har mobiltelefoner, diesel brændstof injektorer, akustisk guitar pickupper, grill sprængkapsler, ultralyds-transducere, vibration sensorer, visse printere, og musikalsk lykønskningskort har alle det til fælles? Udover at være elektroniske enheder bruger alle disse applikationer pie .oelectricity på en eller anden måde. Lad os undersøge, hvordan PIE .oelectricity fungerer, og se på nogle anvendelser af Pie .oelektriske materialer i det daglige liv.
Hvordan fungerer Pie ?oelektrisk materiale?,
Dating hele vejen tilbage til 1880, og det banebrydende arbejde af brødrene Pierre og Jacques Curie, den piezoelektriske effekt refererer til evnen til specifikke materialer — såsom kvarts, turmalin, topas og Rochelle salt — til at fremstille en elektrisk ladning, når de udsættes for mekanisk stress. Udtrykket” pie .o ” kan endda spore sine rødder tilbage til oldgræsk, hvor dets betydning vedrører handlinger med at skubbe, klemme og presse.
ingen pie .oelektrisk effektforklaring ville være fuldstændig uden en kort diskussion af, hvad pie .oelektriske enheder også er., I dag, takket være den yderligere udvikling af menneskeskabte piezo materialer — herunder piezoelektrisk keramik — programmer af piezoelectricity i elektroniske enheder er stigende på en spændende tempo.
Hvordan den Piezoelektriske Effekt Virker Med Sensorer og Motorer
til At begynde med, så er der nok ikke mere populær anvendelse af den piezoelektriske effekt end som en høj spænding energikilde i el-cigaret lightere og gas-grill., I disse tilfælde rammer en hammer et stykke pie .o-materiale, som derefter producerer tilstrækkelig strøm til at skabe en gnist, der antænder den brændbare gas i dens tilstedeværelse. I andre applikationer som sensorer erstattes hammeren som en e .citer af Pie .o — materialet typisk af andre former for energi som lydbølger-inklusive ultralyd.
når de arbejder i sensorer, kan pie .o-materialer registrere selv nogle af de mest små forstyrrelser og anomalier, hvilket gør dem til ideelle enheder til industriel ikke-destruktiv test og medicinsk billeddannelse.,
i andre tilfælde kan pie .oelektriske motorer udføre meget præcise og gentagelige bevægelser. Denne evne gør dem fremragende enheder til præcisionsbevægelser af følsomme optiske enheder som teleskoper og mikroskoper.
Pie .oelektriske fordele og ulemper
sammenlignet med andre elektroniske komponenter har pie .oelektriske enheder flere fordele såvel som nogle ulemper.,
Deres fordele omfatter følgende aspekter:
- Ingen ekstern strømkilde påkrævet: Takket være deres evne til at producere en spænding, når de handlede på baggrund af en kraft, piezo materialer kræver ingen ekstern strømkilde.
- nem installation: med små dimensioner er de en god pasform og let installeret i elektroniske enheder med høj densitet.
- lydhørhed over for højfrekvenser: sammenlignet med andre enheder har pie .o — materialer en væsentligt højere frekvensrespons-hvilket gør dem vidunderligt lydhøre i selv de mest krævende situationer.,meget fleksible materialer: de fleste pie .o-materialer kan konstrueres i en lang række former og størrelser, så de er meget nyttige på tværs af forskellige applikationer og felter.
Piezo materialer også vise følgende begrænsninger eller-ulemper:
- Lille mængde elektrisk ladning: Selvom de er selv-genererende, piezo materialer producere forholdsvis små elektriske ladninger, hvilket betyder en høj impedans kabel er påkrævet for at forbinde dem til en elektrisk grænseflade.,miljøforhold påvirker ydeevnen: Pie .o-materialer påvirkes af temperatur og ændringer i Fugtighed. Plus, mens de er i statisk tilstand, kan de ikke måle output.
- Output er relativt lavt: mens nogle pie .o-materialer producerer mere output end andre, er de alle relativt lave. For at deres brug skal optimeres, kræves der ofte et eksternt kredsløb.
Pie .oelektriske sensorer i industrielle applikationer
industrisektoren anvender ofte pie .oelektriske sensorer til forskellige anvendelser., Nogle almindelige, daglige anvendelser omfatter:
Motor Knock sensorer — motorproducenter står konstant over for udfordringer i forbindelse med styring af motorparametre. Under de forkerte omstændigheder er ben .inmotorer modtagelige for et uønsket fænomen kendt som detonation. Når detonation opstår, eksploderer luft / brændstofladningen i stedet for at brænde jævnt og derved beskadige motoren. Historisk set er det derfor, at de fleste producenter designede motorer med konservative driftsmargener på bekostning af effektivitet — det var for at undgå dette berygtede problem.,
med udviklingen af bedre kontrolsystemer kan de relevante motorparametre justeres i realtid for at maksimere effektiviteten og effekten. Hvis detonation begynder at forekomme, kan pie .oelektriske knock sensorer anvendes til at fornemme detonationen, før det bliver problematisk. Dette giver styresystemerne tid til at foretage de nødvendige justeringer.
tryksensorer — i næsten enhver applikation, der kræver måling af dynamiske trykændringer, giver pie .oelektriske tryksensorer mere pålidelige resultater end ved brug af konventionelle elektromekaniske tryksensorer., Dette skyldes, at pie .oelektriske enheder har en højfrekvensrespons og signalkonvertering uden at kræve bælge, membran eller enhver form for mekanisk kobling i forbindelse med en belastningsmåler eller forskydningssensor.
sonarudstyr — Dybdesundere og sonarudstyr er meget afhængige af Pie .oelektriske sensorer til at transmittere og modtage ultralyd “pings” i 50-200kh. – området. Ud over at have en ideel frekvensrespons til sådanne anvendelser har pie .oelektriske transducere en høj effekttæthed, der gør det muligt at overføre store mængder akustisk effekt fra en lille pakke., For eksempel kan en transducer, der kun er 4″ (100 mm) i diameter, være i stand til at håndtere en effekt, der er større end 500 .att.
anvendelse af Piezoelektriske Aktuatorer i Industrielle Applikationer
Mens piezoelektriske sensorer er meget værdifulde for den industrielle sektor, industrien gør også brug af piezoelektriske aktuatorer til en bred vifte af applikationer:
Diesel Brændstof Injektorer — I det sidste årti, regler om emissioner fra dieselmotorer er blevet mere restriktive. Derudover fortsætter kunderne med at kræve mere støjsvage motorer med forbedrede kraft-og momentkurver., For at imødekomme disse strenge krav til overholdelse og ydeevne har motorfabrikanter tyet til at bruge nøjagtigt tidsindstillede og målte indsprøjtninger af brændstof under forbrændingsprocessen.
så utroligt som det kan lyde, kan en enkelt brændstofinjektor skifte brændstofstrøm med tryk på over 26.000 psi (1800 bar) til og fra flere gange i hurtig rækkefølge under et enkelt strømbeslag. En sådan præcis styring af højtryks-væske er muliggjort ved hjælp af Pie .oelektriske aktuatorer styrer små ventiler inden brændstof injektorer.,
hurtig respons solenoider — nogle processer kræver hurtig og præcis mekanisk aktivering, der er vanskelig, hvis ikke umulig, at opnå med elektromagnetiske solenoider. Mens hastighed måske ikke altid er en bekymring, er strømforbrug eller kompaktitet af størrelse en højeste prioritet. I sådanne tilfælde er Pie .oelektriske aktuatorer ofte i stand til at fylde nichen, da de giver hurtig respons og lavt strømforbrug i små pakker sammenlignet med elektromagnetiske solenoider.,
optisk justering — nogle optik skal justeres eller moduleres med en bred frekvensrespons og med et minimum antal bevægelige dele. Pie .oelektriske aktuatorer anvendes ofte i sådanne applikationer, hvor de giver hurtig og præcis kontrol over en lang levetid:
– vinklen på et spejl eller diffraktionsgitter skal muligvis varieres nøjagtigt afhængigt af en elektrisk indgang. Sådanne anvendelser findes ofte i optiske eller fysiske eksperimenter.,
– jordbaserede teleskopsystemer udsættes for atmosfærisk forvrængning, og rumfartøjsoptik udsættes for bevægelse og vibrationer. I sådanne tilfælde skal optikken muligvis justeres (formet eller kontureret) i realtid ved hjælp af et kontrolsystem. Dette vil kompensere for afvigelser, der ellers ville hindre billedopløsning.
– nogle fiberoptiske omformere er afhængige af Pie .oelektriske aktuatorer for at modulere udgangen af en laser.
ultralydsrensning — Pie .oelektriske aktuatorer bruges også til ultralydsrensningsapplikationer., For at udføre ultralydsrensning nedsænkes genstande i et opløsningsmiddel (vand, alkohol, acetone osv.). En pie .oelektrisk transducer agiterer derefter opløsningsmidlet. Mange genstande med utilgængelige overflader kan rengøres ved hjælp af denne metode.
ultralydssvejsning — mange plastmaterialer kan sammenføjes ved hjælp af en proces, der kaldes ultralydssvejsning. Denne type proces kræver ultralydbølger, der skal overføres til et fokuseret område, hvor de kan forårsage stykker af plast til at smelte sammen. Ofte bruges pie .oelektriske aktuatorer til at udføre denne opgave.,
Pie .oelektriske motorer — en fordel ved at bruge pie .oelektriske materialer er, at deres egenskaber er præcise og forudsigelige. Således kan ekspansion og sammentrækning af en pie .oelektrisk aktuator styres nøjagtigt, så længe forsyningsspændingen styres. Nogle motordesign drager fordel af denne kendsgerning ved at bruge pie .oelektriske elementer til at flytte en rotor eller et lineært element i præcise trin. Præcision i størrelsesordenen nanometer kan opnås med nogle pie .o motor design. Pie .o-motorer fungerer ved en lang række frekvenser, men fungerer typisk bedst i et lavfrekvensområde.,
ud over deres iboende præcision kan pie .oelektriske motorer bruges i miljøer med stærke magnetfelter eller kryogene temperaturer — miljøer, hvor konventionelle motorer sandsynligvis ikke fungerer. Disse unikke udfordringer er til stede i nmri-maskiner, partikelacceleratorer og andre lignende miljøer.stakaktuatorer-flere pie .oelektriske elementer kan stables for at multiplicere forskydningen opnået for en given spænding. Disse typer af enheder er kendt som stack aktuatorer, og de er ansat i en lang række specielle applikationer., Sammenlignet med konventionelle elektromagnetiske aktuatorer har stakaktuatorer følgende unikke fordele:
– de kan fungere ved kryogene temperaturer eller i miljøer med stærke magnetfelter.
– de kan producere en stor mængde kraft i en lille pakke
– de kan reagere næsten øjeblikkeligt på input med høje accelerationshastigheder.
– de kan opnå ekstremt høj grad af præcision.
– de forbruger kun strøm, når der faktisk udføres arbejde.,
disse aktuatorer finder deres anvendelse i proportioneringsventiler, elektriske relæer, optisk modulation, vibrationsdæmpning og andre applikationer, der kræver hurtig eller præcis styring af bevægelsen.
stribe aktuatorer — to strimler af Pie .oelektrisk materiale kan klemt sammen i en konfiguration, der ligner en bimetallisk strimmel. I denne konfiguration får den elektriske indgang den ene strimmel til at udvide sig, mens den anden strimmel samtidig sammentrækkes, hvilket forårsager en afbøjning.,
Pie .oelektriske relæer — Pie .oelektriske elementer kan implementeres for at aktivere elektromekaniske relæer eller kontakter. Til disse anvendelser kan enten stripe aktuatorer eller stack aktuatorer bruges til at åbne og lukke elektriske kontakter. Sådanne anordninger er vedligeholdelsesfrie og varer gennem mange cyklusser uden mærkbart slid. Som en ekstra fordel muliggør anvendelse af Pie .oelektriske aktuatorer til drift af elektriske kontakter hurtig og præcis kontrol i små pakker, der enten er vanskelige eller umulige at opnå med elektromagnetiske relæer.,
anvendelse af Piezoelektriske Sensorer i Medicinske Anvendelser
Tag et kig på, hvordan det medicinske område gennemfører også piezoelektriske sensorer til en lang række dag-til-dag programmer:
Ultrasound Imaging — Piezoelektriske transducere bruges ofte i medicinsk ultralyd udstyr. Fremskridt inden for udstyr gennem årtier har muliggjort forbedret overvågning af graviditeter og lettet minimalt invasive kirurgiske procedurer.,
ultralydprocedurer — nogle ikke-invasive medicinske procedurer er afhængige af brugen af fokuserede ultralydbølger for at nedbryde nyresten eller ødelægge malignt væv. Derudover har fremkomsten af den harmoniske skalpel gjort det muligt for kirurger samtidig at incise og koagulere væv under en kirurgisk procedure uden behov for cauteri .ation. Dette fører til mindre vævsskade, mindre blodtab og hurtigere helingstider.
Pie ?oelektriske aktuatorer i forbrugerelektronik
hvad med forbrugerelektronik og teknologi, der sælges i butikker over hele landet?, Ukendt for mange forbrugere, piezoelektriske aktuatorer bruges i elektronik overalt:
Piezoelektriske Printere — Generelt, der findes to hovedtyper af printere, der anvender piezoelektriske aktuatorer:
– en dot-matrix printer — I en piezoelektrisk dot matrix printer, piezoelektriske aktuatorer i printeren hovedet flytte nålen-som stifter at “stikke” gennem en stribe af blæk bånd (svarende til en skrivemaskine) mod et stykke papir i forskellige mønstre at danne tegn. For de fleste applikationer er brugen af dot-Matri .printere blevet erstattet af andre teknologier., En dot-Matri.-printer er imidlertid den eneste printerteknologi, der er i stand til at generere duplikat-og tredobbelt carbon-copy-udskrifter.
– inkjet printer — I en piezoelektrisk inkjet printer, piezoelektriske aktuatorer i printeren hovedet handle på små membraner eller på anden måde ændre geometrien af et blækhus, så blækdråber er tvunget ud af en åbning på papir. Dette er en af de dominerende teknologier på printermarkedet til dato.,pie .oelektriske højttalere — Pie .oelektriske højttalere findes i stort set alle applikationer, der effektivt skal producere lyd fra en lille elektronisk gadget. Disse typer højttalere er normalt billige og kræver lidt strøm til at producere relativt store lydstyrker., Således, piezoelektriske højttalere er ofte fundet i enheder som følgende:
– mobiltelefoner
– Ear buds
– Lyd-producerer legetøj
– Musikalske lykønskningskort
– Musikalske balloner
Piezoelektriske Buzzers — Piezoelektriske buzzere svarende til piezoelektriske højttalere, men de er normalt designet med lavere troskab til at producere en højere volumen over et smallere frekvensinterval., Buzzere, der anvendes i en tilsyneladende endeløs række af elektroniske enheder, herunder:
Piezoelektriske Befugtere — Mange kølige tåge befugtere bruge en piezoelektrisk transducer til at overføre lyd ultralyd energi ind i en pulje af vand. Ultralydsvibrationer får fine vanddråber til at bryde væk og forstøve fra overfladen af poolen, hvor de bliver indblandet i en luftstrøm og kommer ind i det ønskede rum.
elektroniske tandbørster — lineære pie .oelektriske aktuatorer implementeres for at vibrere børsterne i nogle elektroniske tandbørster.,
Pie .oelektriske materialer til musikalske applikationer
bortset fra teknologiske og industrielle applikationer er Pie .oelektricitet også til gavn for kunsten. Der er en bred vifte af musikalske programmer, der bruger piezoelectricity:
Instrument Pickupper — Mange akustisk-elektrisk strengeinstrumenter anvender piezoelektriske pickupper til at konvertere akustiske vibrationer til elektriske signaler. Typisk placeres en strimmel pie .oelektrisk materiale mellem instrumentlegemet og en struktur, der understøtter strengene., For eksempel huser en akustisk-elektrisk guitar normalt sin pie .oelektriske strimmel under broen og inden i sadlen. Når strengene vibrerer, omrøres strimlen for at generere et elektrisk signal. Elektriske pickupper på violiner, bratscher og celloer bruger det samme koncept, men den pie .oelektriske pickup kan være fastspændt til broen eller integreret i broen — i stedet for at være placeret mellem broen og instrumentkroppen.,
Mikrofoner — nogle mikrofoner (såsom kontaktmikrofoner til percussionsinstrumenter) bruger pie .oelektriske materialer til at konvertere lydvibrationer til en elektrisk udgang. Disse mikrofoner har generelt høje outputimpedanser, der skal matches, når de designer deres respektive forforstærkere.
brug af Pie ?oelectricity i andre applikationer
har du et program, der ikke var opført på listen? Lurer du på, om du kan bruge pie ?oelectricity?, Følgende anvendelser af piezoelectricity repræsentere andre muligheder for din branche:
Piezoelektriske Ignitors — Dette er måske den mest kendte og udbredte brug af piezoelectricity. I en pie .oelektrisk tænding bruges en knap eller trigger til at hane og frigive en fjederbelastet hammer, og hammeren bruges til at slå en stangformet pie .oelektrisk keramik. Det pludselige mekaniske stød til den pie .oelektriske keramik producerer en hurtig stigning i spænding, der er høj nok til at springe et betydeligt gnistgab og antænde brændstof., Pie .oelektriske tændere er almindeligt anvendt til butan Lightere, gas grill, gaskomfurer, blæselamper, og improviserede kartoffelkanoner.
elproduktion — nogle applikationer kræver høst af energi fra trykændringer, vibrationer eller mekaniske impulser. Høst af energi er mulig ved at bruge pie .oelektriske materialer til at omdanne afbøjninger eller forskydninger til elektrisk energi, der enten kan bruges eller opbevares til senere brug.,
mikroelektroniske mekaniske systemer (MEMS) — MEMS-enheder er blevet mere almindelige, da der kræves mere integrerede funktioner i mindre pakker, såsom mobiltelefoner, tabletcomputere osv. Fordelen ved MEMS-enheder er, at gyroskoper, accelerometre og inertielle måleinstrumenter kan integreres i pakker i chip-størrelse. For at opnå en sådan bedrift anvendes ofte pie .oelektriske aktuatorer og sensorer.,
Tennis Ketchere — En noget usædvanlig ansøgning om piezoelectricity integrerer piezoelektriske fibre i halsen på en tennis ketsjer sammen med en microcontroller i håndtaget. Når tennisspilleren slår bolden, RAC frameuet rammen afbøjer og genererer en elektrisk udgang, der er boostet, vendes, og føres tilbage i fibrene. Dette er et forsøg på at forårsage destruktiv interferens og dæmpe strukturelle vibrationer.,
Brug Piezoelectricity i Forsvaret Programmer
Hvis du er en del af forsvaret branche, kan du bruge piezoelectricity til en lang række applikationer:
Micro Robotteknologi — Inden for lille robotik, lille power-effektiv mekanisk aktuatorer og sensorer der er behov for. Med brugen af Pie .oelektriske aktuatorer er det teknisk muligt at bygge noget så lille som en robotflue, der kan kravle og flyve. Faktisk sigter et nyt felt inden for robotteknologi kendt som Micro Air Vehicles at bygge små droner på størrelse med insekter eller fugle, der flyver ved hjælp af flappende vinger., De styrer overflader ligesom fugle og insekter gør. Disse typer af feats i miniaturisering er delvis mulige ved hjælp af Pie .oelektriske aktuatorer.
Kursændrende kugler-for nylig opfandt DARPA en .50-kaliber kugle, der kan ændre kurs i midten af flyvningen. Så absurd som denne innovation kan lyde for nogle læsere, bruger kuglen en optisk sensor, der er monteret på næsen i forbindelse med et kontrolsystem og bevægelige halefinner til at styre sig mod et laserbelyst mål., Selv om DARPA har ikke afsløret meget om deres Ekstrem Nøjagtighed Opgave Bekendtgørelse (EXACTO) bullet, den største sandsynlighed for at manipulere hale finner sandsynligvis omfatter piezoelektriske aktuatorer.