Hva kan gjøre mobiltelefoner, diesel injektorer, akustisk gitar pickups, grill igniters, ultralyd transdusere, vibrasjon sensorer, visse skrivere, og musikalsk hilsen kort som alle har det til felles? Foruten å være elektroniske enheter, alle disse programmene utnytte piezoelectricity på noen måte. La oss utforske hvordan piezoelectricity fungerer, og se på noen anvendelser av piezoelektriske materialer i dag-til-dag liv.
Hvordan Gjør Piezoelektriske Materialet Fungerer?,
Dateres helt tilbake til 1880, og det banebrytende arbeidet til brødrene Pierre og Jacques Curie, den piezoelektriske effekten refererer til evnen til bestemte materialer, for eksempel kvarts, tourmaline, topas og Rochelle salt — for å produsere en elektrisk ladning når det utsettes for mekanisk stress. Begrepet «piezo» kan til og med spore sine røtter tilbake til antikkens hellas, der dens betydninger knyttet til tiltak for å presse, klemme og trykke på.
Ingen piezoelektrisk effekt forklaring ville være komplett uten en kort diskusjon av hva piezoelektriske enheter er så bra., I dag, takket være den ekstra utvikling av menneskeskapte piezo materiale — inkludert piezoelektriske keramikk — programmene av piezoelectricity i elektroniske enheter vokser på en spennende tempo.
Hvordan den Piezoelektriske Effekten Fungerer Med Sensorer og Motorer
til Å begynne med, er det sannsynligvis ikke mer populært program av piezoelektrisk effekt enn som en høy spenning strømkilde i elektrisk lightere og gassgriller., I disse tilfeller, en hammer slår et stykke piezo-materiale, som deretter produserer nok strøm til å skape en gnist som tenner brannfarlig gass i sin tilstedeværelse. Imidlertid, i andre applikasjoner som sensorer, hammer som en radiosender av piezo materiale er vanligvis erstattet av andre former for energi som lydbølger — inkludert ultralyd.
Når de er satt til å arbeide i sensorer, piezo materialer kan oppdage selv noen av de mest minutters forstyrrelser og avvik, noe som gjør dem ideelle enheter i industriell ikke-destruktiv testing og medisinsk bildebehandling.,
I andre tilfeller, piezoelektriske motorer kan utføre svært nøyaktige og repeterbare bevegelser. Denne evnen gjør dem til gode enheter for presisjon og bevegelser av sensitive optiske enheter som teleskoper og mikroskoper.
Piezoelektriske Fordeler og Ulemper
i Forhold til andre elektroniske komponenter, piezoelektriske enheter har flere fordeler, så vel som noen ulemper.,
Sine fordeler inkluderer følgende:
- Ingen ekstern strømkilde som kreves: Takket være sin evne til å produsere en spenning når påvirket av en kraft, piezo materialer krever ingen ekstern strømkilde.
- Enkel installasjon: Med små dimensjoner, de er en flott plass og kan enkelt installeres i high-density elektroniske enheter.
- Respons til høye frekvenser i Forhold til andre enheter, piezo materialer har en betydelig høyere frekvens respons — noe som gjør dem fantastisk responsiv, selv i de mest krevende situasjoner.,
- Svært fleksible materialer: de Fleste piezo materialer kan bli bygget i en rekke former og størrelser, slik at de er svært nyttig på tvers av ulike programmer og felt.
Piezo materialer også vise følgende begrensninger eller ulemper:
- Liten mengde elektrisk ladning: selv Om de er selvdrevne, piezo materialer produsere ganske små, elektriske ladninger, som betyr en høy impedans kabel er nødvendig for å koble dem til en elektrisk grensesnitt.,
- miljøforhold påvirker ytelse: Piezo materiale som påvirkes av temperatur og endringer i luftfuktighet. Pluss, mens i statisk tilstand, kan de ikke måle output.
- Output er relativt lav; Mens noen piezo materialer produsere mer utgang enn andre, de er alle relativt lav. For deres bruk for å være optimalisert, en ekstern krets vil ofte være nødvendig.
Piezoelektriske Sensorer i Industrielle Applikasjoner
Den industrielle sektor ofte benytter piezoelektriske sensorer for en rekke bruksområder., Noen vanlige, hverdagslige bruksområder inkluderer:
Motor Banke Sensorer — Motor produsenter er stadig utfordringer knyttet til kontroll over motorene. Under gale forhold, bensin motorer er utsatt for en uønsket fenomen som er kjent som detonasjon. Når detonasjon oppstår, luft/drivstoff kostnad eksploderer i stedet for å brenne jevnt og dermed skade motoren. Historisk sett, dette er grunnen til at de fleste produsenter utviklet for motorer med konservative operative marginer på bekostning av effektivitet — det var for å unngå dette beryktede problem.,
Med utvikling av bedre kontroll systemer, relevante motor parametere kan justeres i sanntid for å maksimere effektivitet og kraft. Hvis detonasjon begynner å skje, piezoelektriske slå sensorer kan brukes til å forstand detonasjon før det blir problematisk. Dette gir kontroll systemer tid til å gjøre de nødvendige justeringer.
trykksensorer — I nesten hvilket som helst program som krever måling av dynamisk trykk endringer, ved hjelp av piezoelektrisk trykksensorer gir mer pålitelige resultater enn ved bruk av konvensjonelle elektromekaniske trykksensorer., Dette er fordi piezoelektriske enheter har en høy frekvens respons og konvertering uten å kreve noen belg, membran, eller noen form for mekaniske overføringen i forbindelse med en belastning gage eller vekt-sensor.
Ekkolodd Utstyr — Dybde ekkolodd og sonar utstyr stole mye på piezoelektriske sensorer for å sende og motta ultralyd «pinger» i 50-200kHz utvalg. I tillegg til å ha en ideell frekvensrespons for slike søknader, piezoelektriske transdusere har en høy effekttetthet som gjør at store mengder akustisk kraften som skal overføres fra en liten pakke., For eksempel, en svinger som bare er 4″ (100 mm) i diameter kan være i stand til å håndtere effekt som er større enn 500 watt.
bruk av Piezoelektriske Aktuatorer i Industrielle Applikasjoner
Mens piezoelektriske sensorer er svært verdifull for den industrielle sektoren, bransjen gjør også bruk av piezoelektriske aktuatorer for en rekke bruksområder:
Diesel Injektorer — I det siste tiåret, forskrift om utslipp fra dieselmotorer har blitt stadig strengere. I tillegg er kundene fortsetter å kreve mer stillegående motorer med økt effekt og dreiemoment kurver., For å møte disse strenge krav til samsvar og ytelse, motorprodusenter har tydd til å bruke nøyaktig timet og måles injeksjoner av drivstoff under forbrenningsprosessen.
Så utrolig som dette kan høres, er en enkelt drivstoff-injektor kan bytte drivstoff flyt med presset overstiger 26,000 psi (1800 bar) på og av flere ganger i rask rekkefølge i løpet av en enkelt strøm slag. Slik presis kontroll av høyt trykk væske er gjort mulig ved hjelp av piezoelektrisk aktuatorer kontrollerende små ventiler i injektorer.,
Rask Respons Sekunder — Noen prosesser krever hurtig og presis mekanisk utløsning som er vanskelig, om ikke umulig, å oppnå med elektromagnetisk sekunder. Mens hastigheten kan ikke alltid være en bekymring, strømforbruk eller kompakthet av størrelse er en topp prioritet. I slike tilfeller, piezoelektriske aktuatorer er ofte i stand til å fylle nisje som de gir rask respons og lavt strømforbruk i små pakker, i forhold til elektromagnetisk sekunder.,
Optisk Justering — Enkelte optikk må justeres eller modulert med en bred frekvensrespons og med et minimum av bevegelige deler. Piezoelektriske aktuatorer er ofte ansatt i slike programmer der de gir rask og nøyaktig kontroll over en lang service levetid:
– vinkel av et speil eller diffraksjonsgitter kan få behov for å være nøyaktig varierte i henhold til en elektrisk inngang. Slike programmer er ofte oppstått i optisk eller fysikk-eksperimenter.,
– Jorden-basert teleskop matriser er underlagt atmosfæriske forvrengning, og romfartøy optikk er underlagt bevegelse og vibrasjon. I slike tilfeller, optikk må kanskje justeres (formet eller profilert) i sanntid ved hjelp av et kontrollsystem. Dette vil kompensere for avvik som ellers ville hindre bilde oppløsning.
– Noen fiberoptisk omformere stole på piezoelektriske aktuatorer til å modulere resultatet av en laser.
Ultrasonisk Rengjøring — Piezoelektrisk aktuatorer er også brukt til ultrasonisk rengjøring programmer., For å utføre ultrasonisk rengjøring, gjenstander er nedsenket i et løsemiddel (vann, alkohol, aceton, etc.). En piezoelektrisk transduser så agitates løsemiddelet. Mange objekter med utilgjengelige flater kan rengjøres ved hjelp av denne metoden.
Ultralyd Sveising — Mange av plast som kan settes sammen ved hjelp av en prosess kjent som ultralyd sveising. Denne type prosess som krever ultrasoniske bølger for å bli overført til et fokusert område der de kan føre til at deler av plast for å blande sammen. Ofte, piezoelektriske aktuatorer brukes for å utføre denne oppgaven.,
Piezoelektriske Motorer — En fordel med bruk av piezoelektriske materialer er at deres egenskaper er presis og forutsigbar. Dermed, ekspansjon og sammentrekning av et piezoelektrisk aktuatoren kan være nettopp kontrollert så lenge forsyningsspenningen er kontrollert. Noen motor design dra nytte av dette faktum ved bruk av piezoelektriske elementer for å flytte en rotor eller lineære element i presise trinn. Presisjon på rekkefølgen av nanometer kan oppnås med noen piezo motor design. Piezo-motorer arbeid på et bredt spekter av frekvenser, men vanligvis fungerer best i en lav frekvens.,
I tillegg til deres iboende presisjon, piezoelektriske motorer kan brukes i miljøer med sterke magnetiske felt eller kryogeniske temperaturer — miljøer der konvensjonelle motorer er lite sannsynlig å arbeide. Disse unike utfordringene er til stede i NMRI maskiner, partikkel hurtigvalg, og andre lignende miljøer.
Stabel Aktuatorer — Flere piezoelektriske elementer kan stables å multiplisere den vekt som er oppnådd for en gitt spenning. Disse typer enheter er kjent som stakk aktuatorer, og de er ansatt i et utvalg av spesialiserte programmer., Sammenlignet med konvensjonelle elektromagnetiske aktuatorer, stable aktuatorer har følgende unike fordeler:
– De kan fungere i kryogeniske temperaturer eller i miljøer med sterke magnetiske felt.
– De kan produsere en stor mengde kraft i en liten pakke
– De kan reagere nesten umiddelbart å inngang med høy forekomst av akselerasjon.
– De kan oppnå ekstremt høy grad av presisjon.
– De bare bruker strøm når arbeidet faktisk blir utført.,
Disse aktuatorer finne sin bruker i proportioning ventiler, elektriske releer, optisk modulasjon, vibrasjon demping, og andre programmer som krever rask eller nøyaktig kontroll av bevegelse.
Stripe Aktuatorer — To strimler av piezoelektrisk materiale kan være klemt sammen i en konfigurasjon som ligner på en bimetallic strip. I denne konfigurasjonen, elektrisk input fører til en stripe for å utvide mens den andre stripen samtidig kontrakter, forårsaker en avbøyning.,
Piezoelektriske Releer — Piezoelektriske elementer som kan iverksettes for å betjene elektromekaniske releer og brytere. For disse søknadene, enten stripe aktuatorer eller en stabel aktuatorer kan brukes til å åpne og lukke elektriske kontakter. Slike enheter er vedlikeholdsfritt og sist gjennom mange sykluser uten merkbar slitasje. Som en ekstra fordel, ved hjelp av piezoelektrisk aktuatorer til å drive elektriske kontakter som muliggjør rask og presis kontroll i små pakker som enten er vanskelig eller umulig å oppnå med elektromagnetiske releer.,
bruk av Piezoelektriske Sensorer i Medisinske Anvendelser
Ta en titt på hvordan det medisinske feltet, også implementerer piezoelektriske sensorer for et utvalg av dag-til-dag-programmer:
Ultralyd — Piezoelektriske transdusere er ofte brukt i medisinsk ultralyd utstyr. Fremskritt i utstyr de siste tiårene, har aktivert bedre overvåking av svangerskap og tilrettelagt minimalt invasive kirurgiske prosedyrer.,
Ultralyd Prosedyrer — Noen non-invasive medisinske prosedyrer stole på bruken av fokusert ultralyd bølger for å bryte opp nyre steiner eller ødelegge ondartet vev. I tillegg, bruk av harmoniske skalpell har aktivert kirurger til å samtidig incise og coagulate vev under en kirurgisk prosedyre, uten behov for cauterization. Dette fører til mindre skade på vev, mindre blodtap, og raskere healing.
Piezoelektriske Aktuatorer i forbrukerelektronikk
Hva om forbruker-elektronikk og teknologi som er solgt i butikker over hele landet?, Ukjent for mange forbrukere, piezoelektriske aktuatorer er brukt i elektronikk overalt:
Piezoelektriske Skrivere — Generelt sett er det to hovedtyper av skrivere som bruker piezoelektriske aktuatorer:
– en matriseskriver — I en piezoelektrisk matriseskriver, piezoelektriske aktuatorer i skriveren hodet flytte nål-lignende pinner som «rote» gjennom en stripe av blekk tape (som likner en skrivemaskin) mot et stykke papir i ulike mønstre for å danne tegn. For de fleste programmer, bruk av matriseskrivere har blitt erstattet av andre teknologier., Imidlertid, på en matriseskriver er den eneste skriveren teknologi som er i stand til å generere kopiere og triplikat karbon-kopi utskrifter.
– blekkskriver — I en piezoelektrisk blekkskriver, piezoelektriske aktuatorer i skriveren hodet handle på små membraner eller på annen måte endre geometrien av en inkwell slik at blekket dråper er tvunget ut av en munnstykket på papir. Dette er en av de dominerende teknologien i skriveren markedet til dags dato.,
Piezoelektriske Høyttalere — Piezoelektrisk høyttalerne er omtalt i nesten alle programmer du trenger for å effektivt produsere lyd fra en liten elektronisk dings. Disse typer høyttalere er vanligvis billig og krever lite kraft til å produsere relativt stor lyd volum., Dermed, piezoelektriske høyttalere er ofte funnet i enheter, for eksempel følgende:
– mobiltelefoner
ørepropper
– Lyd-produserende leker
– Musikalsk gratulasjonskort
– Musikalsk ballonger
Piezoelektriske-Svarknapper — Piezoelektrisk-svarknapper er lik piezoelektriske høyttalere, men de er vanligvis laget med lavere troskap for å produsere en høyere volum over en smalere frekvensområde., – Svarknapper er brukt i en tilsynelatende endeløs rekke av elektronisk utstyr, herunder:
Piezoelektriske Luftfuktere — Mange kule tåke luftfuktere benytte en piezoelektrisk transduser for å overføre ultrasonisk lyd energi i et basseng med vann. Den ultrasoniske vibrasjoner føre fine vanndråper til å bryte ut og forstøver fra overflaten av bassenget hvor de blir innblanda i en air stream og skriv inn ønsket plass.
Elektroniske Tannbørster — Lineær piezoelektriske aktuatorer er implementert til å vibrere bust i noen elektroniske tannbørster.,
Piezoelektriske Materialer for Musikalske Programmer
Bortsett fra teknologiske og industrielle applikasjoner, piezoelectricity også fordeler kunst. Det er en rekke musikalske programmer som bruker piezoelectricity:
Instrument Pickups — Mange akustisk-elektrisk strengeinstrumenter utnytte piezoelektriske bokser for å konvertere akustisk vibrasjoner til elektriske signaler. Vanligvis, en stripe av piezoelektriske materialet er plassert mellom instrument kroppen og en struktur som støtter strenger., For eksempel, en akustisk-gitar vanligvis huser de piezoelektriske stripe under broen og i salen. Som strenger til å vibrere, the strip er urolig for å generere en elektrisk signal. Elektrisk pickups på fioliner, violas, og cellos bruke det samme konseptet, men den piezoelektriske pickup kan være festet til brua eller integrert i bridge — i stedet for å være som ligger mellom brua og instrument kroppen.,
Mikrofoner — Noen mikrofoner (for eksempel kontakt mikrofoner for perkusjonsinstrumenter) bruk av piezoelektriske materialer å konvertere lyd vibrasjoner til et elektrisk effekt. Disse mikrofoner generelt har høy produksjon impedances som må bli møtt når du utformer sine respektive pre-forsterkere.
ved Hjelp av Piezoelectricity i Andre Programmer
har du har et program som ikke var oppført på listen? Lurer du på om du kan bruke piezoelectricity?, Følgende bruker av piezoelectricity representerer andre alternativer for din bransje:
Piezoelektriske Ignitors — Dette er kanskje den mest kjente og utbredte bruken av piezoelectricity. I en piezoelektrisk igniter, a-knappen eller utløse brukes til å kuk og slipp en fjærbelastet hammer, og hammeren brukes til å finne en stang formet piezoelektriske keramikk. Den plutselige mekanisk støt til piezoelektriske keramiske gir en rask økning i spenningen som er høy nok til å hoppe en betydelig gnistgap og antenne drivstoff., Piezoelektriske igniters er ofte brukt for butan lightere, gassgriller, gass ovner, blowtorches, og improviserte potet kanoner.
kraftproduksjon — Noen programmer krever høsting av energi fra trykkendringer, vibrasjoner, eller mekanisk impulser. Høsting av energi er mulig ved bruk av piezoelektriske materialer å konvertere deflections eller forskyvninger til elektrisk energi som kan enten brukes eller lagres for senere bruk.,
Mikroelektroniske Mekaniske Systemer (MEMS) — MEMS-enheter har blitt mer vanlig som mer integrert evner er nødvendig i mindre pakker, slik som mobiltelefoner, nettbrett, osv. Fordelen av MEMS-enheter er som gyroskoper, akselerometre, og treghet måleutstyr kan bli integrert i chip-size-pakker. For å oppnå en slik prestasjon, piezoelektriske aktuatorer og sensorer er ofte brukt.,
Tennis Racquets — En noe uvanlig program for piezoelectricity integrerer piezoelektriske fibre i halsen av en tennis racquet sammen med en mikrokontroller i håndtaket. Når tennis spiller slår ballen, racquet ramme avleder og genererer en elektrisk utgang som er styrket, reversert, og gitt tilbake til fiber. Dette er et forsøk på å føre til destruktiv interferens og fukt strukturelle vibrasjon.,
ved Hjelp av Piezoelectricity i Forsvaret Programmer
Hvis du er en del av forsvaret, industrien, kan du bruke piezoelectricity for en rekke bruksområder:
Micro Robotics — I feltet for små robotics, lite energieffektiv mekanisk aktuatorer og sensorer er nødvendig. Med bruk av piezoelektriske aktuatorer, bygge noe så lite som en robot fly som kan krype og fly er teknisk mulig. Faktisk, et nytt felt av robot-teknologi kjent som Micro Air Vehicles har som mål å bygge små droner størrelsen på insekter eller fugler som flyr med flagrende vinger., De kontrollflater akkurat som fugler og insekter gjøre. Disse typer av prestasjon i miniatyrisering er mulig, i en del, ved hjelp av piezoelektrisk aktuatorer.
Kurs-endre Kuler — Nylig, DARPA oppfunnet .50-kaliber kule som kan endre kurs i midten av flyet. Like latterlig som dette innovasjon høres kanskje for noen lesere, bullet bruker en optisk sensor som er montert på sin nese i forbindelse med en kontroll-system og bevegelig halefinnene til å styre seg selv mot en laser-belyst mål., Selv om DARPA har ikke avdekket mye om sine Ekstreme Nøyaktigheten i Oppdrag Forordning (EXACTO) kule, mest sannsynlig betyr å manipulere halefinnene trolig innebærer piezoelektriske aktuatorer.