Was tun, Handys, diesel Kraftstoff Injektoren, acoustic guitar pickups, grill Zünder, Ultraschall-sensoren, vibration sensoren, können bestimmte Drucker und musikalischer Gruß-Karten alle gemeinsam haben? Alle diese Anwendungen sind nicht nur elektronische Geräte, sondern nutzen auch in gewisser Weise die Piezoelektrizität. Lassen Sie uns untersuchen, wie Piezoelektrizität funktioniert und einige Anwendungen von piezoelektrischen Materialien im täglichen Leben betrachten.
Wie funktioniert piezoelektrisches Material?,
Der piezoelektrische Effekt stammt aus dem Jahr 1880 und bezieht sich auf die Fähigkeit spezifischer Materialien wie Quarz, Turmalin, Topas und Rochelle — Salz, bei mechanischer Beanspruchung eine elektrische Ladung zu erzeugen. Der Begriff „Piezo“ kann seine Wurzeln sogar bis ins Altgriechische zurückverfolgen, wo sich seine Bedeutungen auf das Drücken, Drücken und Drücken beziehen.
Keine Erklärung des piezoelektrischen Effekts wäre ohne eine kurze Diskussion darüber, was auch piezoelektrische Geräte sind, vollständig., Dank der zusätzlichen Entwicklung von künstlichen Piezomaterialien — einschließlich piezoelektrischer Keramik — wachsen die Anwendungen der Piezoelektrizität in elektronischen Geräten heute in einem aufregenden Tempo.
Wie der piezoelektrische Effekt mit Sensoren und Motoren funktioniert
Zunächst gibt es wahrscheinlich keine populärere Anwendung des piezoelektrischen Effekts als als Hochspannungsstromquelle in elektrischen Feuerzeugen und Gasgrills., In diesen Fällen trifft ein Hammer auf ein Stück Piezomaterial, das dann genügend Strom erzeugt, um einen Funken zu erzeugen, der das brennbare Gas in seiner Gegenwart entzündet. Bei anderen Anwendungen wie Sensoren wird der Hammer als Erreger des Piezomaterials jedoch typischerweise durch andere Energieformen wie Schallwellen — einschließlich Ultraschall-ersetzt.
Wenn sie in Sensoren eingesetzt werden, können Piezomaterialien sogar einige der kleinsten Störungen und Anomalien erkennen, was sie zu idealen Geräten für industrielle zerstörungsfreie Tests und medizinische Bildgebung macht.,
In anderen Fällen können piezoelektrische Motoren hochpräzise und wiederholbare Bewegungen ausführen. Diese Fähigkeit macht sie zu hervorragenden Geräten für die Präzisionsbewegungen empfindlicher optischer Geräte wie Teleskope und Mikroskope.
Piezoelektrische Vor-und Nachteile
Im Vergleich zu anderen elektronischen Bauteilen haben piezoelektrische Bauelemente mehrere Vorteile sowie einige Nachteile.,
Ihre Vorteile umfassen die folgenden Aspekte:
- Keine externe Stromquelle erforderlich: Dank ihrer Fähigkeit, bei Krafteinwirkung eine Spannung zu erzeugen, benötigen Piezomaterialien keine externe Stromquelle.
- Einfache installation: Mit kleinen abmessungen, sie sind eine große fit und leicht installiert in high-density elektronische geräte.
- Reaktionsfähigkeit auf hohe Frequenzen: Im Vergleich zu anderen Geräten haben Piezomaterialien einen wesentlich höheren Frequenzgang — was sie auch in anspruchsvollsten Situationen wunderbar anspricht.,
- Hochflexible Materialien: Die meisten Piezomaterialien können in einer Vielzahl von Formen und Größen konstruiert werden, sodass sie für verschiedene Anwendungen und Bereiche sehr nützlich sind.
Piezomaterialien weisen auch die folgenden Einschränkungen oder Nachteile auf:
- Geringe elektrische Ladung: Obwohl sie sich selbst erzeugen, erzeugen Piezomaterialien relativ kleine elektrische Ladungen, was bedeutet, dass ein hochohmiges Kabel erforderlich ist, um sie an eine elektrische Schnittstelle anzuschließen.,
- Umgebungsbedingungen beeinflussen die Leistung: Piezo-Materialien werden durch Temperatur und Feuchtigkeitsänderungen beeinflusst. Außerdem können sie im statischen Zustand die Ausgabe nicht messen.
- Ausgang ist relativ niedrig: Während einige piezo materialien produzieren mehr ausgang als andere, sie sind alle relativ niedrig. Um ihre Verwendung zu optimieren, wird häufig eine externe Schaltung benötigt.
Piezoelektrische Sensoren in industriellen Anwendungen
In der Industrie werden häufig piezoelektrische Sensoren für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt., Einige gängige, alltägliche Anwendungen umfassen:
Motorklopfsensoren-Motorenhersteller stehen ständig vor Herausforderungen in Bezug auf die Steuerung von Motorparametern. Unter den falschen Umständen sind Benzinmotoren anfällig für ein unerwünschtes Phänomen, das als Detonation bekannt ist. Wenn eine Detonation auftritt, explodiert die Luft – / Kraftstoffladung, anstatt reibungslos zu brennen, wodurch der Motor beschädigt wird. Historisch gesehen haben die meisten Hersteller deshalb Motoren mit konservativen Betriebsspannen auf Kosten der Effizienz entwickelt-um dieses berüchtigte Problem zu vermeiden.,
Mit der Entwicklung besserer Steuerungssysteme können die relevanten Motorparameter in Echtzeit angepasst werden, um Effizienz und Leistung zu maximieren. Wenn eine Detonation auftritt, können piezoelektrische Klopfsensoren verwendet werden, um die Detonation zu erfassen, bevor sie problematisch wird. Dies gibt Steuerungssystemen Zeit, die erforderlichen Anpassungen vorzunehmen.
Drucksensoren — In nahezu jeder Anwendung, die die Messung dynamischer Druckänderungen erfordert, liefert die Verwendung von piezoelektrischen Drucksensoren zuverlässigere Ergebnisse als die Verwendung herkömmlicher elektromechanischer Drucksensoren., Dies liegt daran, dass piezoelektrische Geräte einen Hochfrequenzgang und eine Signalwandlung aufweisen, ohne dass ein Faltenbalg, eine Membran oder eine mechanische Verbindung in Verbindung mit einem Dehnungsmessstreifen-oder Verschiebungssensor erforderlich sind.
Sonargeräte-Tiefensoundgeräte und Sonargeräte sind weitgehend auf piezoelektrische Sensoren angewiesen, um Ultraschall-„Pings“ im 50-200KHz-Bereich zu übertragen und zu empfangen. Piezoelektrische Wandler haben nicht nur einen idealen Frequenzgang für solche Anwendungen, sondern auch eine hohe Leistungsdichte, die es ermöglicht, große Mengen an akustischer Leistung von einem kleinen Gehäuse aus zu übertragen., Beispielsweise kann ein Wandler mit einem Durchmesser von nur 4″ (100 mm) eine Leistung von mehr als 500 Watt verarbeiten.
Einsatz von piezoelektrischen Aktoren in industriellen Anwendungen
Während piezoelektrische Sensoren für die Industrie sehr wertvoll sind, setzt die Industrie auch piezoelektrische Aktoren für eine Vielzahl von Anwendungen ein:
Dieselkraftstoffinjektoren — In den letzten zehn Jahren wurden die Vorschriften für Emissionen von Dieselmotoren immer strenger. Darüber hinaus fordern die Kunden weiterhin leisere Motoren mit verbesserten Leistungs-und Drehmomentkurven., Um diesen hohen Anforderungen an Compliance und Leistung gerecht zu werden, haben die Motorenhersteller während des Verbrennungsprozesses auf präzise zeitgesteuerte und dosierte Kraftstoffeinspritzungen zurückgegriffen.
So unglaublich das klingen mag, ein einziger Kraftstoffinjektor kann den Kraftstofffluss mit Drücken von mehr als 26.000 psi (1800 bar) während eines einzigen Hubs mehrmals in schneller Folge ein-und ausschalten. Eine solche präzise Steuerung von Hochdruckflüssigkeit wird durch den Einsatz von piezoelektrischen Aktoren ermöglicht, die kleine Ventile innerhalb von Einspritzdüsen steuern.,
Schnell ansprechende Solenoide-Einige Prozesse erfordern eine schnelle und präzise mechanische Betätigung, die mit elektromagnetischen Solenoiden nur schwer, wenn nicht gar unmöglich zu erreichen ist. Während Geschwindigkeit nicht immer ein Problem ist, haben Stromverbrauch oder Kompaktheit der Größe oberste Priorität. In solchen Fällen sind piezoelektrische Aktuatoren häufig in der Lage, die Nische zu füllen, da sie im Vergleich zu elektromagnetischen Magnetspulen eine schnelle Reaktion und einen geringen Stromverbrauch in kleinen Gehäusen bieten.,
Optische Einstellung – Einige Optiken müssen mit einem breiten Frequenzgang und mit einer minimalen Anzahl beweglicher Teile eingestellt oder moduliert werden. Piezoelektrische Aktuatoren werden häufig in solchen Anwendungen eingesetzt, wo sie eine schnelle und genaue Kontrolle über eine lange Lebensdauer bieten:
– Der Winkel eines Spiegels oder Beugungsgitters muss möglicherweise genau nach einem elektrischen Eingang variiert werden. Solche Anwendungen werden häufig in optischen oder physikalischen Experimenten angetroffen.,
– Erdgestützte Teleskoparrays unterliegen atmosphärischen Verzerrungen und Raumfahrzeugoptiken unterliegen Bewegungen und Vibrationen. In solchen Fällen muss die Optik möglicherweise in Echtzeit mittels eines Steuerungssystems angepasst (geformt oder konturiert) werden. Dadurch werden Aberrationen ausgeglichen, die sonst die Bildauflösung behindern würden.
– Einige Lichtwellenleiter setzen auf piezoelektrische Aktuatoren, um den Ausgang eines Lasers zu modulieren.
Ultraschallreinigung-Piezoelektrische Aktuatoren werden auch für Ultraschallreinigungsanwendungen eingesetzt., Zur Ultraschallreinigung werden Objekte in ein Lösungsmittel (Wasser, Alkohol, Aceton usw.) eingetaucht.). Ein piezoelektrischer Wandler bewegt dann das Lösungsmittel. Viele Objekte mit unzugänglichen Oberflächen können mit dieser Methode gereinigt werden.
Ultraschallschweißen-Viele Kunststoffe können mit einem als Ultraschallschweißen bekannten Verfahren miteinander verbunden werden. Bei dieser Art von Verfahren müssen Ultraschallwellen an einen fokussierten Bereich übertragen werden, wo sie dazu führen können, dass Kunststoffstücke miteinander verschmelzen. Häufig werden piezoelektrische Aktoren verwendet, um diese Aufgabe zu erfüllen.,
Piezoelektrische Motoren-Ein Vorteil der Verwendung von piezoelektrischen Materialien ist, dass ihre Eigenschaften präzise und vorhersehbar sind. Somit kann die Expansion und Kontraktion eines piezoelektrischen Aktors präzise gesteuert werden, solange die Versorgungsspannung gesteuert wird. Einige Motorkonstruktionen nutzen diese Tatsache aus, indem sie piezoelektrische Elemente verwenden, um einen Rotor oder ein lineares Element in präzisen Schritten zu bewegen. Präzision in der Größenordnung von Nanometern kann mit einigen Piezomotorkonstruktionen erreicht werden. Piezomotoren arbeiten mit einem breiten Frequenzbereich, funktionieren jedoch typischerweise am besten in einem niedrigen Frequenzbereich.,
Zusätzlich zu ihrer inhärenten Präzision können piezoelektrische Motoren in Umgebungen mit starken Magnetfeldern oder kryogenen Temperaturen eingesetzt werden — Umgebungen, in denen herkömmliche Motoren wahrscheinlich nicht funktionieren. Diese einzigartigen Herausforderungen sind in NMRI-Maschinen, Teilchenbeschleunigern und ähnlichen Umgebungen vorhanden.
Stapelaktoren-Mehrere piezoelektrische Elemente können gestapelt werden, um die für eine gegebene Spannung erzielte Verschiebung zu multiplizieren. Diese Gerätetypen sind als Stapelantriebe bekannt und werden in einer Vielzahl von Spezialanwendungen eingesetzt., Im Vergleich zu herkömmlichen elektromagnetischen Aktoren haben Stapelaktoren die folgenden einzigartigen Vorteile:
– Sie können bei kryogenen Temperaturen oder in Umgebungen mit starken Magnetfeldern funktionieren.
– Sie können in einem kleinen Paket eine große Kraft erzeugen
– Sie können fast sofort auf Eingaben mit hohen Beschleunigungsraten reagieren.
– Sie können extrem hohe Präzision erreichen.
– Sie verbrauchen nur Strom, wenn tatsächlich gearbeitet wird.,
Diese Aktuatoren finden ihre Verwendung in Dosierventilen, elektrischen Relais, optischer Modulation, Schwingungsdämpfung und anderen Anwendungen, die eine schnelle oder präzise Bewegungssteuerung erfordern.
Streifenaktoren-Zwei Streifen aus piezoelektrischem Material können in einer Konfiguration, die einem Bimetallstreifen ähnlich ist, zusammengefügt werden. Bei dieser Konfiguration bewirkt der elektrische Eingang, dass sich ein Streifen ausdehnt, während sich der andere Streifen gleichzeitig zusammenzieht, was zu einer Durchbiegung führt.,
Piezoelektrische Relais-Zur Ansteuerung elektromechanischer Relais oder Schalter können piezoelektrische Elemente implementiert werden. Für diese Anwendungen können entweder Streifenaktoren oder Stapelaktoren verwendet werden, um elektrische Kontakte zu öffnen und zu schließen. Solche Geräte sind wartungsfrei und halten viele Zyklen ohne merklichen Verschleiß durch. Als zusätzlichen Vorteil ermöglicht die Verwendung von piezoelektrischen Aktoren zum Betreiben elektrischer Kontakte eine schnelle und präzise Steuerung in kleinen Gehäusen, die mit elektromagnetischen Relais entweder schwierig oder unmöglich zu erreichen sind.,
Verwendung von piezoelektrischen Sensoren in medizinischen Anwendungen
Werfen Sie einen Blick darauf, wie der medizinische Bereich auch piezoelektrische Sensoren für eine Vielzahl von täglichen Anwendungen implementiert:
Ultraschallbildgebung-Piezoelektrische Wandler werden häufig in medizinischen Ultraschallgeräten verwendet. Fortschritte in der Ausrüstung im Laufe der Jahrzehnte haben eine verbesserte Überwachung von Schwangerschaften ermöglicht und minimal-invasive chirurgische Eingriffe erleichtert.,
Ultraschallverfahren-Einige nicht-invasive medizinische Verfahren beruhen auf der Verwendung fokussierter Ultraschallwellen, um Nierensteine aufzubrechen oder bösartiges Gewebe zu zerstören. Darüber hinaus hat das Aufkommen des harmonischen Skalpells es Chirurgen ermöglicht, gleichzeitig Gewebe während eines chirurgischen Eingriffs einzuschneiden und zu koagulieren, ohne dass eine Kauterisation erforderlich ist. Dies führt zu weniger Gewebeschäden, weniger Blutverlust und schnelleren Heilungszeiten.
Piezoelektrische Aktuatoren in der Unterhaltungselektronik
Was ist mit Unterhaltungselektronik und Technologie, die im ganzen Land in Geschäften verkauft wird?, Piezoelektrische Aktoren, die vielen Verbrauchern unbekannt sind, werden überall in der Elektronik verwendet:
Piezoelektrische Drucker — Im Allgemeinen gibt es zwei Haupttypen von Druckern, die piezoelektrische Aktoren verwenden:
– ein Punktmatrixdrucker-In einem piezoelektrischen Punktmatrixdrucker bewegen piezoelektrische Aktoren im Druckkopf nadelartige Stifte, die durch einen Tintenbandstreifen (ähnlich einer Schreibmaschine) in verschiedenen Mustern gegen ein Blatt Papier „stoßen“, um Zeichen zu bilden. Für die meisten Anwendungen wurde die Verwendung von Punktmatrixdruckern durch andere Technologien ersetzt., Ein Punktmatrixdrucker ist jedoch die einzige Druckertechnologie, die in der Lage ist, doppelte und dreifache Kohlenstoffkopierausdrucke zu erzeugen.
– Tintenstrahldrucker – In einem piezoelektrischen Tintenstrahldrucker wirken piezoelektrische Aktoren im Druckkopf auf kleine Membranen oder verändern auf andere Weise die Geometrie eines Tintenfasses, so dass Tintentröpfchen aus einer Öffnung auf Papier gedrückt werden. Dies ist eine der dominierenden Technologien auf dem Druckermarkt bis heute.,
Piezoelektrische Lautsprecher-Piezoelektrische Lautsprecher sind in praktisch jeder Anwendung enthalten, die effizient Schall von einem kleinen elektronischen Gerät erzeugen muss. Diese Arten von Lautsprechern sind in der Regel kostengünstig und benötigen wenig Strom, um relativ große Lautstärke zu erzeugen., So finden sich piezoelektrische Lautsprecher häufig in Geräten wie den folgenden:
– Handys
– Ohrstöpsel
– Tonproduzierendes Spielzeug
– Musikalische Grußkarten
– Musikballons
Piezoelektrische Summer — Piezoelektrische Summer ähneln piezoelektrischen Lautsprechern, sind jedoch normalerweise mit geringerer Wiedergabetreue ausgelegt, um ein lauteres Volumen über einen engeren Frequenzbereich zu erzeugen., Summer werden in einer scheinbar endlosen Reihe elektronischer Geräte verwendet, darunter:
Piezoelektrische Luftbefeuchter — Viele Kaltnebelbefeuchter verwenden einen piezoelektrischen Wandler, um Ultraschallschallenergie in einen Wasserpool zu übertragen. Die Ultraschallschwingungen bewirken, dass feine Wassertröpfchen abbrechen und von der Oberfläche des Pools zerstäuben, wo sie in einem Luftstrom mitgerissen werden und in den gewünschten Raum gelangen.
Elektronische Zahnbürsten-Lineare piezoelektrische Aktuatoren sind implementiert, um die Borsten in einigen elektronischen Zahnbürsten zu vibrieren.,
Piezoelektrische Materialien für musikalische Anwendungen
Neben technologischen und industriellen Anwendungen kommt auch der Kunst die Piezoelektrizität zugute. Es gibt eine Vielzahl von musikalischen Anwendungen, die Piezoelektrizität verwenden:
Instrument Tonabnehmer — Viele akustisch-elektrische Saiteninstrumente verwenden piezoelektrische Tonabnehmer, um akustische Schwingungen in elektrische Signale umzuwandeln. Typischerweise wird ein Streifen aus piezoelektrischem Material zwischen dem Instrumentenkörper und einer Struktur platziert, die die Saiten stützt., Zum Beispiel beherbergt eine akustisch-elektrische Gitarre normalerweise ihren piezoelektrischen Streifen unter der Brücke und innerhalb des Sattels. Wenn die Saiten vibrieren, wird der Streifen bewegt, um ein elektrisches Signal zu erzeugen. Elektrische Tonabnehmer an Violinen, Bratschen und Celli verwenden das gleiche Konzept, Der piezoelektrische Tonabnehmer kann jedoch an der Brücke festgeklemmt oder in die Brücke integriert werden, anstatt sich zwischen der Brücke und dem Instrumentenkörper zu befinden.,
Mikrofone-Einige Mikrofone (z. B. Kontaktmikrofone für Schlaginstrumente) verwenden piezoelektrische Materialien, um Schallschwingungen in einen elektrischen Ausgang umzuwandeln. Diese Mikrofone besitzen im Allgemeinen hohe Ausgangsimpedanzen, die bei der Auslegung ihrer jeweiligen Vorverstärker abgeglichen werden müssen.
Verwendung von Piezoelektrizität in anderen Anwendungen
Haben Sie eine Anwendung, die nicht in der Liste aufgeführt war? Fragen Sie sich, ob Sie Piezoelektrizität verwenden können?, Die folgenden Anwendungen der Piezoelektrizität stellen andere Optionen für Ihre Branche dar:
Piezoelektrische Zünder — Dies ist vielleicht die bekannteste und allgegenwärtigste Verwendung von Piezoelektrizität. In einem piezoelektrischen Zünder wird ein Knopf oder Auslöser verwendet, um einen federbelasteten Hammer zu schlagen und loszulassen, und der Hammer wird verwendet, um eine stabförmige piezoelektrische Keramik zu schlagen. Der plötzliche mechanische Schock auf die piezoelektrische Keramik erzeugt einen schnellen Spannungsanstieg, der hoch genug ist, um eine beträchtliche Funkenlücke zu überspringen und Kraftstoff zu entzünden., Piezoelektrische Zünder werden üblicherweise für Butanfeuerzeuge, Gasgrills, Gasherde, Lötkolben und improvisierte Kartoffelkanonen verwendet.
Stromerzeugung-Einige Anwendungen erfordern die Gewinnung von Energie aus Druckänderungen, Vibrationen oder mechanischen Impulsen. Die Gewinnung von Energie ist möglich, indem piezoelektrische Materialien verwendet werden, um Durchbiegungen oder Verschiebungen in elektrische Energie umzuwandeln, die entweder verwendet oder für eine spätere Verwendung gespeichert werden kann.,
Mikroelektronische mechanische Systeme — MEMS) – MEMS-Geräte sind alltäglicher geworden, da in kleineren Paketen wie Mobiltelefonen, Tablet-Computern usw. mehr integrierte Funktionen erforderlich sind. Der Vorteil von MEMS-Geräten besteht darin, dass Gyroskope, Beschleunigungsmesser und Trägheitsmessgeräte in chipgroße Pakete integriert werden können. Um eine solche Leistung zu erreichen, werden häufig piezoelektrische Aktoren und Sensoren verwendet.,
Tennisschläger — Eine etwas ungewöhnliche Anwendung für Piezoelektrizität integriert piezoelektrische Fasern in den Hals eines Tennisschlägers zusammen mit einem Mikrocontroller im Griff. Wenn der Tennisspieler den Ball schlägt, lenkt der Schlägerrahmen ab und erzeugt eine elektrische Leistung, die verstärkt, umgekehrt und in die Fasern zurückgeführt wird. Dies ist ein Versuch, zerstörerische Störungen zu verursachen und strukturelle Vibrationen zu dämpfen.,
Verwendung von Piezoelektrizität in Verteidigungsanwendungen
Wenn Sie Teil der Verteidigungsindustrie sind, können Sie Piezoelektrizität für eine Vielzahl von Anwendungen verwenden:
Mikrorobotik — Im Bereich der kleinen Robotik werden kleine energieeffiziente mechanische Aktuatoren und Sensoren benötigt. Mit dem Einsatz von piezoelektrischen Aktoren ist es technisch machbar, etwas so Kleines wie eine Roboterfliege zu bauen, die kriechen und fliegen kann. Tatsächlich zielt ein neues Gebiet der Robotertechnologie, das als Mikroluftfahrzeuge bekannt ist, darauf ab, kleine Drohnen von der Größe von Insekten oder Vögeln zu bauen, die mit Schlagflügeln fliegen., Sie kontrollieren Oberflächen genauso wie Vögel und Insekten. Diese Arten von Kunststücken in der Miniaturisierung sind teilweise unter Verwendung von piezoelektrischen Aktoren möglich.
Kurswechsel Kugeln-Vor kurzem erfand DARPA ein .50-Kaliber Kugel, die Kurs in der Mitte des Fluges ändern kann. So absurd diese Innovation für einige Leser klingen mag, Das Geschoss verwendet einen optischen Sensor, der an seiner Nase in Verbindung mit einem Steuerungssystem und beweglichen Heckflossen montiert ist, um sich auf ein laserbeleuchtetes Ziel zu lenken., Obwohl DARPA nicht viel über ihre Extreme Accuracy Tasked Ordinance (EXACTO) – Kugel verraten hat, besteht das wahrscheinlichste Mittel zur Manipulation der Heckflossen wahrscheinlich aus piezoelektrischen Aktoren.