wat hebben mobiele telefoons, dieselbrandstofinjectoren, akoestische gitaar pickups, grillontstekers, ultrasone transducers, trillingssensoren, bepaalde printers en muzikale wenskaarten allemaal gemeen? Naast het feit dat elektronische apparaten, al deze toepassingen maken gebruik van piëzo-elektriciteit op een bepaalde manier. Laten we onderzoeken hoe piëzo-elektriciteit werkt en kijken naar enkele toepassingen van piëzo-elektrische materialen in het dagelijks leven.
Hoe werkt piëzo-elektrisch materiaal?,het piëzo — elektrisch effect dateert uit 1880 en het baanbrekende werk van de gebroeders Pierre en Jacques Curie en verwijst naar het vermogen van specifieke materialen — zoals kwarts, toermalijn, topaz en rochellezout — om een elektrische lading te produceren bij mechanische belasting. De term “piëzo” kan zelfs zijn wortels terugvoeren naar het Oudgrieks, waar zijn betekenissen betrekking hebben op acties van duwen, knijpen en persen.
geen piëzo-elektrisch effect verklaring zou volledig zijn zonder een korte bespreking van wat piëzo-elektrische apparaten ook zijn., Dankzij de extra ontwikkeling van door de mens gemaakte piëzo — materialen — waaronder piëzo-elektrische keramiek-groeien de toepassingen van piëzo-elektriciteit in elektronische apparaten in een spannend tempo.
hoe het piëzo-elektrisch Effect werkt met sensoren en motoren
om te beginnen is er waarschijnlijk geen populairdere toepassing van het piëzo-elektrisch effect dan als hoogspanningsbron in elektrische aanstekers en gasbarbecues., In deze gevallen slaat een hamer een stuk piëzo-materiaal, dat dan voldoende stroom produceert om een vonk te creëren die het ontvlambare gas in zijn aanwezigheid ontsteekt. Echter, in andere toepassingen zoals sensoren, de hamer als een exciter van het piëzo materiaal wordt meestal vervangen door andere vormen van energie zoals geluidsgolven — met inbegrip van echografie.
wanneer ze in sensoren worden gebruikt, kunnen piëzo-materialen zelfs enkele van de minuscule storingen en anomalieën detecteren, waardoor ze ideaal zijn voor industriële niet-destructieve tests en medische beeldvorming.,
in andere gevallen kunnen piëzo-elektrische motoren zeer nauwkeurige en herhaalbare bewegingen uitvoeren. Dit vermogen maakt hen uitstekende apparaten voor de precisie bewegingen van gevoelige optische apparaten zoals telescopen en microscopen.
piëzo-elektrische voor-en nadelen
vergeleken met andere elektronische componenten hebben piëzo-elektrische apparaten verschillende voordelen en enkele nadelen.,
hun voordelen omvatten de volgende aspecten:
- geen externe energiebron vereist: dankzij hun vermogen om een spanning te produceren wanneer een kracht wordt uitgeoefend, hebben piëzomaterialen geen externe energiebron nodig.
- eenvoudige installatie: met kleine afmetingen passen ze uitstekend en kunnen ze gemakkelijk worden geïnstalleerd in elektronische apparaten met een hoge dichtheid.
- responsiviteit op hoge frequenties: in vergelijking met andere apparaten hebben piëzo — materialen een aanzienlijk hogere frequentierespons-waardoor ze zelfs in de meest veeleisende situaties heerlijk reageren.,
- zeer flexibele materialen: de meeste piëzo-materialen kunnen in een grote verscheidenheid van vormen en maten worden geconstrueerd, zodat ze zeer nuttig zijn voor verschillende toepassingen en velden.
p > p > piëzo-materialen vertonen ook de volgende beperkingen of nadelen:
- kleine hoeveelheid elektrische lading: hoewel ze zelf produceren, produceren piëzo-materialen vrij kleine elektrische ladingen, wat betekent dat een hoge impedantiekabel nodig is om ze aan te sluiten op een elektrische interface.,
- omgevingsomstandigheden beïnvloeden de prestaties: piëzo-materialen worden beïnvloed door temperatuur en veranderingen in de vochtigheid. Plus, Terwijl in de statische toestand, ze kunnen de output niet meten.
- Output is relatief laag: terwijl sommige piëzo materialen meer output produceren dan andere, zijn ze allemaal relatief laag. Om het gebruik ervan te optimaliseren, is vaak een extern circuit nodig.
piëzo-elektrische sensoren in industriële toepassingen
De industriële sector gebruikt vaak piëzo-elektrische sensoren voor uiteenlopende toepassingen., Enkele veel voorkomende, alledaagse toepassingen zijn:
Motorklopsensoren-motorfabrikanten worden voortdurend geconfronteerd met uitdagingen in verband met de controle van motorparameters. Onder de verkeerde omstandigheden, benzinemotoren zijn gevoelig voor een ongewenst fenomeen bekend als detonatie. Wanneer detonatie optreedt, ontploft de lucht / brandstoflading in plaats van soepel te branden, waardoor de motor wordt beschadigd. Historisch gezien, dit is de reden waarom de meeste fabrikanten ontworpen motoren met conservatieve operationele marges ten koste van de efficiëntie-het was om dit beruchte probleem te voorkomen.,
met de ontwikkeling van betere controlesystemen kunnen de relevante motorparameters in realtime worden aangepast om de efficiëntie en het vermogen te maximaliseren. Als detonatie begint, kunnen piëzo-elektrische klopsensoren worden gebruikt om de detonatie te voelen voordat het problematisch wordt. Dit geeft de besturingssystemen tijd om de vereiste aanpassingen te maken.
druksensoren-in bijna elke toepassing die het meten van dynamische drukveranderingen vereist, levert het gebruik van piëzo-elektrische druksensoren betrouwbaardere resultaten op dan het gebruik van conventionele elektromechanische druksensoren., Dit komt omdat piëzo-elektrische apparaten een hoge frequentierespons en signaalomzetting hebben zonder dat er balgen, diafragma of enig type mechanische koppeling nodig is in combinatie met een spanningsgage-of verplaatsingssensor.
sonarapparatuur-Dieptesonarapparatuur en sonarapparatuur zijn in hoge mate afhankelijk van piëzo-elektrische sensoren voor het verzenden en ontvangen van ultrasone “pings” in het 50-200kHz-bereik. Naast een ideale frequentierespons voor dergelijke toepassingen hebben piëzo-elektrische transducers een hoge vermogensdichtheid waardoor grote hoeveelheden akoestisch vermogen vanuit een klein pakket kunnen worden overgedragen., Een transducer met een diameter van slechts 4″ (100 mm) kan bijvoorbeeld een vermogen van meer dan 500 watt verwerken.
gebruik van piëzo-elektrische actuatoren in industriële toepassingen
terwijl piëzo-elektrische sensoren zeer waardevol zijn voor de industriële sector, maakt de industrie ook gebruik van piëzo — elektrische actuatoren voor een verscheidenheid aan toepassingen:
Dieselbrandstofinjectoren-de laatste tien jaar zijn de voorschriften inzake emissies van dieselmotoren steeds strenger geworden. Bovendien blijven klanten stillere motoren met verbeterde vermogens-en koppelcurves vragen., Om aan deze strenge eisen voor naleving en prestaties te voldoen, hebben motorfabrikanten hun toevlucht genomen tot het gebruik van nauwkeurig getimede en gemeten brandstofinjecties tijdens het verbrandingsproces.
hoe ongelooflijk dit ook mag klinken, een enkele Brandstofinjector kan de brandstofstroom met een druk van meer dan 26.000 psi (1800 bar) meerdere malen snel na elkaar in-en uitschakelen tijdens een enkele krachtslag. Een dergelijke nauwkeurige regeling van hogedrukvloeistof wordt mogelijk gemaakt door gebruik te maken van piëzo-elektrische actuatoren die kleine kleppen in brandstofinjectoren regelen.,
snelle Reactiesolenoïden-sommige processen vereisen een snelle en nauwkeurige mechanische aandrijving die moeilijk, zo niet onmogelijk, te bereiken is met elektromagnetische solenoïden. Hoewel snelheid niet altijd een punt van zorg is, is stroomverbruik of compactheid van grootte een topprioriteit. In dergelijke gevallen, piëzo-elektrische actuatoren zijn vaak in staat om de niche te vullen als ze snelle reactie en laag stroomverbruik in kleine pakketten, in vergelijking met elektromagnetische solenoïden.,
optische aanpassing-sommige optieken moeten worden aangepast of gemoduleerd met een brede frequentierespons en met een minimum aan bewegende delen. Piëzo-elektrische actuatoren worden vaak gebruikt in dergelijke toepassingen waar ze snelle en nauwkeurige controle over een lange levensduur bieden:
– de hoek van een spiegel of diffractierooster moet mogelijk nauwkeurig worden gevarieerd volgens een elektrische ingang. Dergelijke toepassingen worden vaak aangetroffen in optische of natuurkundige experimenten.,
– Telescooparrays op aarde zijn onderhevig aan atmosferische vervorming en optica van ruimtevaartuigen zijn onderhevig aan beweging en trillingen. In dergelijke gevallen kan het nodig zijn de optiek realtime aan te passen (vorm of contouren) door middel van een regelsysteem. Dit compenseert aberraties die anders de beeldresolutie zouden belemmeren.
– sommige glasvezelomvormers vertrouwen op piëzo-elektrische actuatoren om de output van een laser te moduleren.
ultrasone reiniging-piëzo-elektrische actuatoren worden ook gebruikt voor ultrasone reinigingstoepassingen., Om ultrasone reiniging uit te voeren, worden objecten ondergedompeld in een oplosmiddel (water, alcohol, aceton, enz.). Een piëzo-elektrische transducer roert dan het oplosmiddel. Veel objecten met ontoegankelijke oppervlakken kunnen met deze methode worden gereinigd.
Ultrasoon Lassen-veel kunststoffen kunnen worden samengevoegd met behulp van een proces dat bekend staat als ultrasoon lassen. Dit type proces vereist dat ultrasone golven worden overgebracht naar een gericht gebied waar ze kunnen leiden tot stukjes plastic om samen te smelten. Vaak worden piëzo-elektrische actuatoren gebruikt om deze taak te volbrengen.,
piëzo-elektrische motoren – een voordeel van het gebruik van piëzo-elektrische materialen is dat hun eigenschappen nauwkeurig en voorspelbaar zijn. Zo kan de uitzetting en samentrekking van een piëzo-elektrische actuator nauwkeurig worden geregeld zolang de voedingsspanning wordt geregeld. Sommige motorontwerpen profiteren van dit feit door piëzo-elektrische elementen te gebruiken om een rotor of lineair element in precieze stappen te verplaatsen. Precisie op de Orde van nanometers kan worden bereikt met sommige piëzo motor ontwerpen. Piëzo-motoren werken op een breed frequentiebereik, maar werken meestal het beste in een laag frequentiebereik.,
naast hun inherente precisie kunnen piëzo-elektrische motoren worden gebruikt in omgevingen met sterke magnetische velden of cryogene temperaturen — omgevingen waar conventionele motoren waarschijnlijk niet werken. Deze unieke uitdagingen zijn aanwezig in nmri-machines, deeltjesversnellers en andere soortgelijke omgevingen.
Stapelactuatoren-meerdere piëzo-elektrische elementen kunnen worden gestapeld om de verplaatsing voor een bepaalde spanning te vermenigvuldigen. Deze soorten apparaten staan bekend als stack actuators, en ze worden gebruikt in een verscheidenheid van speciale toepassingen., In vergelijking met conventionele elektromagnetische actuatoren hebben stapel actuatoren de volgende unieke voordelen:
– ze kunnen functioneren bij cryogene temperaturen of in omgevingen met sterke magnetische velden.
– ze kunnen een grote hoeveelheid kracht produceren in een klein pakket
– ze kunnen vrijwel direct reageren op Invoer met hoge acceleratiesnelheden.
– ze kunnen extreem hoge nauwkeurigheidsgraden bereiken.
– ze verbruiken alleen stroom als het werk daadwerkelijk wordt uitgevoerd.,
deze actuatoren worden gebruikt in doseerkleppen, elektrische relais, optische modulatie, trillingsdemping en andere toepassingen die een snelle Of nauwkeurige regeling van de beweging vereisen.
Stripe Actuators-twee stroken piëzo-elektrisch materiaal kunnen aan elkaar worden bevestigd in een configuratie die vergelijkbaar is met een bimetaalstrook. In deze configuratie zorgt de elektrische ingang ervoor dat de ene strook uitzet terwijl de andere strook tegelijkertijd samentrekt, waardoor een afbuiging ontstaat.,
piëzo-elektrische relais-piëzo-elektrische elementen kunnen worden toegepast om elektromechanische relais of schakelaars in werking te stellen. Voor deze toepassingen kunnen ofwel stripe actuators ofwel stapel actuators worden gebruikt om elektrische contacten te openen en te sluiten. Dergelijke apparaten zijn onderhoudsvrij en duren vele cycli zonder merkbare slijtage. Als bijkomend voordeel maakt het gebruik van piëzo-elektrische actuatoren voor het bedienen van elektrische contacten een snelle en nauwkeurige regeling mogelijk in kleine verpakkingen die moeilijk of onmogelijk te bereiken zijn met elektromagnetische relais.,
gebruik van piëzo-elektrische sensoren in medische toepassingen
bekijk hoe het medische veld ook piëzo-elektrische sensoren implementeert voor een verscheidenheid aan dagelijkse toepassingen:
ultrasone beeldvorming-piëzo — elektrische transducers worden vaak gebruikt in medische ultrasone apparatuur. De vooruitgang in de apparatuur in de loop van de decennia heeft een betere controle van zwangerschappen en vergemakkelijkt minimaal invasieve chirurgische procedures mogelijk gemaakt.,
ultrasone Procedures-sommige niet-invasieve medische procedures zijn gebaseerd op het gebruik van gerichte ultrasone golven om nierstenen te breken of kwaadaardig weefsel te vernietigen. Bovendien heeft de komst van de harmonische scalpel chirurgen in staat gesteld om gelijktijdig snijden en coaguleren weefsel tijdens een chirurgische procedure zonder de noodzaak van cauterisatie. Dit leidt tot minder weefselschade, minder bloedverlies en snellere genezingstijden.
piëzo-elektrische actuatoren in consumentenelektronica
hoe zit het met consumentenelektronica en-technologie die in winkels in het hele land wordt verkocht?, Piëzo-elektrische actuatoren, die bij veel consumenten onbekend zijn, worden overal in de elektronica gebruikt:
piëzo — elektrische Printers– over het algemeen zijn er twee hoofdtypen printers die piëzo-elektrische actuatoren gebruiken:
— een dot-matrixprinter-in een piëzo-elektrische dot-matrixprinter bewegen piëzo-elektrische actuatoren in de printerkop naaldachtige pennen die door een strook inkttape (vergelijkbaar met een typemachine) tegen een stuk papier in verschillende patronen om tekens te vormen. Voor de meeste toepassingen is het gebruik van dot-matrix printers vervangen door andere technologieën., Een dot-matrixprinter is echter de enige printertechnologie die dubbele en drievoudige afdrukken van koolstofkopieën kan genereren.
– inkjetprinter – in een piëzo-elektrische inkjetprinter werken piëzo-elektrische actuatoren in de printerkop op kleine membranen of veranderen op andere wijze de geometrie van een inktpot zodat inktdruppels uit een opening op papier worden gedrukt. Dit is een van de dominante technologieën in de printermarkt tot nu toe.,
piëzo-elektrische Luidsprekers-piëzo-elektrische luidsprekers zijn te vinden in vrijwel elke toepassing die efficiënt geluid moet produceren van een kleine elektronische gadget. Dit soort luidsprekers zijn meestal goedkoop en vereisen weinig vermogen om relatief grote geluidsvolumes te produceren., Piëzo-elektrische luidsprekers worden dus vaak aangetroffen in apparaten zoals:
– mobiele telefoons
– Oordopjes
– Geluidproducerend speelgoed
-muzikale wenskaarten
– muzikale ballonnen
piëzo– elektrische zoemers — piëzo-elektrische zoemers zijn vergelijkbaar met piëzo-elektrische zoemers, maar ze zijn meestal ontworpen met een lagere betrouwbaarheid om een luider volume te produceren over een smaller frequentiebereik., Buzzers worden gebruikt in een schijnbaar eindeloze reeks elektronische apparaten, waaronder:
p > p > p > p > p > p > p = piëzo — elektrische luchtbevochtigers-veel luchtbevochtigers met koele mist gebruiken een piëzo-elektrische transducer om ultrasone geluidsenergie naar een plas water te zenden. De ultrasone trillingen veroorzaken fijne waterdruppels te breken en te verstuiven van het oppervlak van het zwembad, waar ze worden ingesloten in een luchtstroom en de gewenste ruimte in te voeren.
elektronische Tandenborstels-Lineaire piëzo-elektrische actuatoren worden toegepast om de borstels in sommige elektronische tandenborstels te laten trillen.,
piëzo-elektrische materialen voor muzikale toepassingen
naast technologische en industriële toepassingen komt piëzo-elektriciteit ook ten goede aan kunst. Er zijn verschillende muzikale toepassingen die gebruik maken van piëzo-elektriciteit:
instrument Pickups — veel akoestisch-elektrische snaarinstrumenten gebruiken piëzo-elektrische pickups om akoestische trillingen om te zetten in elektrische signalen. Typisch, een strook piëzo-elektrisch materiaal wordt geplaatst tussen het instrument lichaam en een structuur die de snaren ondersteunt., Bijvoorbeeld, een akoestisch-elektrische gitaar meestal herbergt zijn piëzo-elektrische strip onder de brug en in het zadel. Als de snaren trillen, wordt de strip geagiteerd om een elektrisch signaal te genereren. Elektrische pick — ups op violen, altviolen en cello ‘ s gebruiken hetzelfde concept, maar de piëzo-elektrische pick-up kan worden geklemd op de brug of geïntegreerd binnen de brug-in plaats van zich tussen de brug en het instrument lichaam.,
Microfoons-sommige microfoons (zoals contactmicrofoons voor percussie-instrumenten) gebruiken piëzo-elektrische materialen om geluidstrillingen om te zetten in een elektrische uitgang. Deze microfoons hebben over het algemeen hoge uitgangsimpedanties die moeten worden afgestemd bij het ontwerpen van hun respectieve voorversterkers.
piëzo-elektriciteit gebruiken in andere toepassingen
heeft u een toepassing die niet in de lijst stond? Vraag je je af of je piëzo-elektriciteit kunt gebruiken?, De volgende toepassingen van piëzo-elektriciteit vertegenwoordigen andere opties voor uw industrie:
piëzo — elektrische ontstekers-dit is misschien wel het meest bekende en alomtegenwoordige gebruik van piëzo-elektriciteit. In een piëzo-elektrische ontsteker wordt een knop of trigger gebruikt om een veer-geladen hamer op te hangen en los te laten, en de hamer wordt gebruikt om een staafvormige piëzo-elektrische keramiek te slaan. De plotselinge mechanische schok aan de piëzo-elektrische keramiek produceert een snelle stijging van de spanning die hoog genoeg is om een aanzienlijke vonkspleet te springen en brandstof te ontsteken., Piëzo-elektrische ontstekers worden vaak gebruikt voor butaanaanstekers, gasgrills, gaskachels, brander en geïmproviseerde aardappelkanonnen.
elektriciteitsopwekking-sommige toepassingen vereisen het oogsten van energie uit drukveranderingen, trillingen of mechanische impulsen. Het oogsten van energie is mogelijk door piëzo-elektrische materialen te gebruiken om afbuigingen of verschuivingen om te zetten in elektrische energie die kan worden gebruikt of opgeslagen voor later gebruik.,
micro-elektronische mechanische systemen (MEMS) – MEMS-apparaten zijn meer gebruikelijk geworden omdat er meer geïntegreerde mogelijkheden nodig zijn in kleinere verpakkingen, zoals mobiele telefoons, tabletcomputers, enz. Het voordeel van MEMS-apparaten is dat gyroscopen, versnellingsmeters en traagheidsmeetapparaten kunnen worden geïntegreerd in chipformaatpakketten. Om een dergelijke prestatie te bereiken, worden piëzo-elektrische actuatoren en sensoren vaak gebruikt.,
tennisrackets-een enigszins ongebruikelijke toepassing voor piëzo-elektriciteit integreert piëzo-elektrische vezels in de keel van een tennisracket samen met een microcontroller in het handvat. Wanneer de tennisser slaat de bal, het racket frame buigt en genereert een elektrische output die wordt versterkt, omgekeerd, en gevoed terug in de vezels. Dit is een poging om destructieve interferentie te veroorzaken en structurele trillingen te dempen.,
piëzo-elektriciteit gebruiken in defensietoepassingen
Als u deel uitmaakt van de defensie — industrie, kunt u piëzo-elektriciteit gebruiken voor een verscheidenheid aan toepassingen:
Microrobotica-op het gebied van kleine robotica zijn kleine energiezuinige mechanische actuatoren en sensoren nodig. Met het gebruik van piëzo-elektrische actuatoren is het bouwen van iets zo klein als een robotvlieg die kan kruipen en vliegen technisch haalbaar. In feite, een nieuw gebied van robottechnologie bekend als Micro Air Vehicles is gericht op het bouwen van kleine drones ter grootte van insecten of vogels die vliegen met slagvleugels., Ze controleren oppervlakken net als vogels en insecten. Dit soort prestaties in miniaturisatie zijn mogelijk, gedeeltelijk, door het gebruik van piëzo-elektrische actuatoren.
Course-changing Bullets-onlangs heeft DARPA een uitgevonden .50-kaliber kogel die van koers kan veranderen tijdens de vlucht. Hoe absurd deze innovatie ook klinkt voor sommige lezers, de kogel maakt gebruik van een optische sensor die op zijn neus is gemonteerd in combinatie met een besturingssysteem en beweegbare staartvinnen om zichzelf te sturen naar een laser-verlicht doel., Hoewel DARPA niet veel heeft onthuld over hun Extreme nauwkeurigheid Tasked Ordinance (EXACTO) kogel, de meest waarschijnlijke manier van het manipuleren van de staartvinnen omvat waarschijnlijk piëzo-elektrische actuatoren.