co mają wspólnego telefony komórkowe, wtryskiwacze paliwa diesel, przetworniki gitary akustycznej, zapalniki grilla, przetworniki ultradźwiękowe, czujniki wibracji, niektóre drukarki i muzyczne kartki z życzeniami? Poza tym, że są urządzeniami elektronicznymi, wszystkie te aplikacje wykorzystują w jakiś sposób piezoelektryczność. Zbadajmy, jak działa piezoelektryczność i przyjrzyjmy się niektórym zastosowaniom materiałów piezoelektrycznych w codziennym życiu.
jak działa Materiał piezoelektryczny?,
począwszy od 1880 roku i przełomowej pracy braci Pierre 'a i Jacques' a Curie, efekt piezoelektryczny odnosi się do zdolności określonych materiałów — takich jak kwarc, Turmalin, Topaz i sól Rochelle — do wytwarzania ładunku elektrycznego pod wpływem naprężeń mechanicznych. Termin „piezo” może nawet prześledzić swoje korzenie w starożytnej Grecji, gdzie jego znaczenia odnoszą się do działań pchania, ściskania i prasowania.
żadne Wyjaśnienie efektu piezoelektrycznego nie byłoby kompletne bez krótkiej dyskusji o tym, czym są urządzenia piezoelektryczne., Obecnie, dzięki dodatkowemu rozwojowi materiałów piezoelektrycznych-w tym ceramiki piezoelektrycznej — zastosowania piezoelektryczności w urządzeniach elektronicznych rosną w ekscytującym tempie.
jak działa efekt piezoelektryczny z czujnikami i silnikami
Po pierwsze, prawdopodobnie nie ma bardziej popularnego zastosowania efektu piezoelektrycznego niż jako źródło zasilania wysokiego napięcia w elektrycznych zapalniczkach papierosowych i grillach gazowych., W takich przypadkach młotek uderza kawałek materiału piezoelektrycznego, który następnie wytwarza wystarczająco dużo prądu, aby utworzyć iskrę, która zapala łatwopalny gaz w jego obecności. Jednak w innych zastosowaniach, takich jak czujniki, młotek jako wzbudnik materiału piezoelektrycznego jest zwykle zastępowany przez inne formy energii, takie jak fale dźwiękowe — w tym ultradźwięki.
Kiedy są wprowadzane do pracy w czujnikach, materiały piezoelektryczne mogą wykryć nawet niektóre z najdrobniejszych zakłóceń i anomalii, co czyni je idealnymi urządzeniami w przemysłowych badaniach nieniszczących i obrazowaniu medycznym.,
w innych przypadkach silniki piezoelektryczne mogą wykonywać bardzo precyzyjne i powtarzalne ruchy. Ta zdolność czyni je doskonałymi urządzeniami do precyzyjnych ruchów czułych urządzeń optycznych, takich jak teleskopy i mikroskopy.
zalety i wady piezoelektryczne
w porównaniu do innych elementów elektronicznych, urządzenia piezoelektryczne mają kilka zalet, a także pewne wady.,
ich zalety obejmują następujące aspekty:
- nie wymaga zewnętrznego źródła zasilania: dzięki zdolności do wytwarzania NAPIĘCIA, gdy działa na siłę, materiały piezoelektryczne nie wymagają zewnętrznego źródła zasilania.
- Łatwa instalacja: dzięki małym wymiarom świetnie pasują i są łatwo instalowane w urządzeniach elektronicznych o dużej gęstości.
- responsywność na wysokie częstotliwości: w porównaniu do innych urządzeń, materiały piezoelektryczne mają znacznie wyższą odpowiedź częstotliwościową — co sprawia, że świetnie reagują nawet w najbardziej wymagających sytuacjach.,
- bardzo elastyczne materiały: większość materiałów piezoelektrycznych może być konstruowana w różnych kształtach i rozmiarach, dzięki czemu są bardzo przydatne w różnych zastosowaniach i dziedzinach.
materiały piezoelektryczne wykazują również następujące ograniczenia lub wady:
- mała ilość ładunku elektrycznego: chociaż są one samo-generujące się, materiały piezoelektryczne wytwarzają dość małe ładunki elektryczne, co oznacza, że do podłączenia ich do interfejsu elektrycznego wymagany jest kabel o wysokiej impedancji.,
- warunki środowiskowe wpływają na wydajność: na materiały piezoelektryczne wpływa temperatura i zmiany wilgotności. Dodatkowo, będąc w stanie statycznym, nie mogą zmierzyć wyjścia.
- wydajność jest stosunkowo niska: podczas gdy niektóre materiały piezoelektryczne wytwarzają więcej mocy niż inne, wszystkie są stosunkowo niskie. Aby ich użycie było zoptymalizowane, często wymagany będzie obwód zewnętrzny.
Czujniki piezoelektryczne w zastosowaniach przemysłowych
SEKTOR PRZEMYSŁOWY często wykorzystuje czujniki piezoelektryczne do różnych zastosowań., Do typowych, codziennych zastosowań należą:
Czujniki uderzenia silnika — producenci silników stale stoją przed wyzwaniami związanymi z kontrolą parametrów silnika. W niewłaściwych okolicznościach silniki benzynowe są podatne na niepożądane zjawisko znane jako detonacja. Podczas detonacji ładunek powietrze / paliwo eksploduje zamiast płynnie płonąć, uszkadzając tym samym silnik. Historycznie, dlatego większość producentów projektowała silniki z konserwatywnymi marżami operacyjnymi kosztem wydajności — miało to na celu uniknięcie tego notorycznego problemu.,
wraz z rozwojem lepszych systemów sterowania odpowiednie parametry silnika mogą być regulowane w czasie rzeczywistym, aby zmaksymalizować wydajność i moc. Jeśli detonacja zaczyna się pojawiać, można zastosować piezoelektryczne czujniki uderzeniowe, aby wyczuć detonację, zanim stanie się problematyczna. Daje to systemom sterowania Czas na dokonanie wymaganych regulacji.
Czujniki Ciśnienia-w prawie każdej aplikacji wymagającej pomiaru dynamicznych zmian ciśnienia, przy użyciu piezoelektrycznych czujników ciśnienia daje bardziej wiarygodne wyniki niż przy użyciu konwencjonalnych elektromechanicznych czujników ciśnienia., Dzieje się tak dlatego, że urządzenia piezoelektryczne mają odpowiedź wysokiej częstotliwości i konwersję sygnału bez konieczności stosowania mieszków, membrany lub jakiegokolwiek rodzaju mechanicznego połączenia w połączeniu z czujnikiem tensometrycznym lub czujnikiem przemieszczenia.
Sprzęt sonarowy — sondy głębokości i sprzęt sonarowy w znacznym stopniu opierają się na czujnikach piezoelektrycznych do przesyłania i odbierania ultradźwiękowych „pingów” w zakresie 50-200 khz. Oprócz idealnej odpowiedzi częstotliwościowej dla takich zastosowań, przetworniki piezoelektryczne mają wysoką gęstość mocy, która umożliwia przesyłanie dużych ilości mocy akustycznej z małego pakietu., Na przykład przetwornik o średnicy zaledwie 4″ (100 mm) może obsługiwać moc wyjściową większą niż 500 watów.
zastosowania piezoelektrycznych siłowników w zastosowaniach przemysłowych
podczas gdy piezoelektryczne czujniki są bardzo cenne dla sektora przemysłowego, przemysł wykorzystuje również piezoelektryczne siłowniki do różnych zastosowań:
Wtryskiwacze Paliwa Diesel — w ostatniej dekadzie przepisy dotyczące emisji z silników Diesla stały się coraz bardziej rygorystyczne. Ponadto klienci nadal domagają się cichszych silników z ulepszonymi krzywymi mocy i momentu obrotowego., Aby sprostać tym rygorystycznym wymaganiom w zakresie zgodności i wydajności, producenci silników zdecydowali się na stosowanie precyzyjnie zaplanowanych i odmierzonych wtrysków paliwa podczas procesu spalania.
choć może to zabrzmieć niewiarygodnie, pojedynczy wtryskiwacz paliwa może kilkukrotnie włączać i wyłączać przepływ paliwa przy ciśnieniu przekraczającym 1800 barów (26 000 psi) podczas jednego skoku mocy. Tak precyzyjne sterowanie płynem wysokociśnieniowym jest możliwe dzięki zastosowaniu piezoelektrycznych siłowników sterujących małymi zaworami w wtryskiwaczach paliwa.,
Elektromagnesy szybkiej reakcji-niektóre procesy wymagają szybkiego i precyzyjnego uruchomienia mechanicznego, które jest trudne, jeśli nie niemożliwe, do osiągnięcia za pomocą elektromagnesów elektromagnetycznych. Chociaż prędkość nie zawsze może być problemem, zużycie energii lub zwarta wielkość jest priorytetem. W takich przypadkach siłowniki piezoelektryczne są często w stanie wypełnić niszę, ponieważ zapewniają szybką reakcję i niskie zużycie energii w małych opakowaniach, w porównaniu do elektromagnesów elektromagnetycznych.,
Regulacja optyczna-niektóre elementy optyczne muszą być regulowane lub modulowane z szerokim pasmem przenoszenia i z minimalną liczbą ruchomych części. Siłowniki piezoelektryczne są często stosowane w takich aplikacjach, gdzie zapewniają szybką i dokładną kontrolę nad długą żywotnością:
– kąt lustra lub kraty dyfrakcyjnej może wymagać precyzyjnej zmiany w zależności od wejścia elektrycznego. Takie zastosowania są często spotykane w eksperymentach optycznych lub fizycznych.,
– macierze teleskopów bazujących na Ziemi podlegają zniekształceniom atmosferycznym, a optyka statków kosmicznych podlega ruchom i wibracjom. W takich przypadkach optyka może wymagać regulacji (ukształtowania lub wyprofilowania) w czasie rzeczywistym za pomocą układu sterowania. Spowoduje to kompensację aberracji, które w przeciwnym razie utrudniałyby rozdzielczość obrazu.
– niektóre Konwertery światłowodowe polegają na piezoelektrycznych siłownikach modulujących wyjście lasera.
czyszczenie ultradźwiękowe — piezoelektryczne siłowniki są również używane do zastosowań czyszczenia ultradźwiękowego., Aby wykonać czyszczenie ultradźwiękowe, przedmioty są zanurzone w rozpuszczalniku (woda, alkohol, aceton itp.). Przetwornik piezoelektryczny następnie miesza rozpuszczalnik. Wiele obiektów o niedostępnych powierzchniach można czyścić za pomocą tej metodologii.
spawanie ultradźwiękowe-wiele tworzyw sztucznych można łączyć ze sobą za pomocą procesu znanego jako spawanie ultradźwiękowe. Ten rodzaj procesu wymaga fal ultradźwiękowych, które mają być przekazywane do skupionego obszaru, gdzie mogą powodować kawałki plastiku do łączenia się. Często do realizacji tego zadania wykorzystywane są siłowniki piezoelektryczne.,
Silniki piezoelektryczne-jedną z zalet stosowania materiałów piezoelektrycznych jest to, że ich charakterystyka jest precyzyjna i przewidywalna. W ten sposób rozszerzanie i kurczenie siłownika piezoelektrycznego może być precyzyjnie kontrolowane tak długo, jak kontrolowane jest napięcie zasilania. Niektóre konstrukcje silników wykorzystują ten fakt, wykorzystując elementy piezoelektryczne do precyzyjnego przesuwania wirnika lub elementu liniowego. Precyzja NA kolejności nanometrów można osiągnąć dzięki niektórym konstrukcjom silników piezoelektrycznych. Silniki piezoelektryczne pracują w szerokim zakresie częstotliwości, ale zazwyczaj pracują najlepiej w zakresie niskich częstotliwości.,
oprócz naturalnej precyzji, silniki piezoelektryczne mogą być stosowane w środowiskach z silnymi polami magnetycznymi lub temperaturami kriogenicznymi — środowiskach, w których konwencjonalne silniki nie działają. Te unikalne wyzwania są obecne w maszynach NMRI, akceleratorach cząstek i innych podobnych środowiskach.
Siłowniki stosu — wiele elementów piezoelektrycznych może być ułożonych w stos, aby pomnożyć przemieszczenie osiągnięte dla danego napięcia. Tego typu urządzenia są znane jako siłowniki stosu i są stosowane w różnych specjalistycznych zastosowaniach., W porównaniu z konwencjonalnymi siłownikami elektromagnetycznymi, siłowniki stosowe mają następujące wyjątkowe zalety:
– mogą działać w temperaturach kriogenicznych lub w środowiskach z silnymi polami magnetycznymi.
– mogą wytwarzać dużą ilość siły w małym pakiecie
– mogą reagować niemal natychmiast na wejście z dużą szybkością przyspieszania.
– potrafią osiągnąć niezwykle wysoki stopień precyzji.
– zużywają energię tylko wtedy, gdy praca jest faktycznie wykonywana.,
te siłowniki znajdują swoje zastosowania w zaworach dozujących, przekaźnikach elektrycznych, modulacji optycznej, tłumieniu drgań i innych aplikacjach wymagających szybkiej lub precyzyjnej kontroli ruchu.
Siłowniki paskowe — dwa paski materiału piezoelektrycznego mogą być umieszczone razem w konfiguracji podobnej do taśmy bimetalicznej. W tej konfiguracji wejście elektryczne powoduje rozszerzenie jednego paska, podczas gdy drugi pasek jednocześnie się kurczy, powodując ugięcie.,
przekaźniki piezoelektryczne — elementy piezoelektryczne mogą być realizowane do uruchamiania przekaźników lub przełączników elektromechanicznych. W tych zastosowaniach do otwierania i zamykania styków elektrycznych mogą być stosowane siłowniki taśmowe lub siłowniki stosowe. Takie urządzenia są bezobsługowe i wytrzymują wiele cykli bez zauważalnego zużycia. Dodatkową korzyścią jest zastosowanie piezoelektrycznych siłowników do obsługi styków elektrycznych, które umożliwiają szybką i precyzyjną kontrolę w małych pakietach, które są trudne lub niemożliwe do osiągnięcia za pomocą przekaźników elektromagnetycznych.,
zastosowania czujników piezoelektrycznych w zastosowaniach medycznych
Spójrz, w jaki sposób medycyna wdraża również czujniki piezoelektryczne do różnych codziennych zastosowań:
obrazowanie ultradźwiękowe-przetworniki piezoelektryczne są często stosowane w medycznych urządzeniach ultradźwiękowych. Postępy w sprzęcie na przestrzeni dziesięcioleci umożliwiły lepsze monitorowanie ciąży i ułatwiły minimalnie inwazyjne procedury chirurgiczne.,
procedury ultradźwiękowe-niektóre nieinwazyjne procedury medyczne polegają na wykorzystaniu skupionych fal ultradźwiękowych do rozbicia kamieni nerkowych lub zniszczenia tkanki złośliwej. Dodatkowo, pojawienie się skalpela harmonicznego umożliwiło chirurgom jednoczesne nacinanie i koagulację tkanki podczas zabiegu chirurgicznego bez konieczności kauteryzacji. Prowadzi to do mniejszych uszkodzeń tkanek, mniejszej utraty krwi i krótszego czasu gojenia.
Siłowniki piezoelektryczne w elektronice użytkowej
a co z elektroniką użytkową i technologią, która jest sprzedawana w sklepach na terenie całego kraju?, Nieznane wielu konsumentom, piezoelektryczne siłowniki są używane w elektronice wszędzie:
Drukarki piezoelektryczne — Ogólnie rzecz biorąc, istnieją dwa główne typy drukarek, które używają piezoelektrycznych siłowników:
– drukarka z matrycą punktową-w piezoelektrycznej drukarce z matrycą punktową, piezoelektryczne siłowniki w głowicy drukarki przesuwają igłowe szpilki, które „szturchają” przez pasek taśmy atramentowej (podobny do maszyny do pisania) na kartce papieru w różnych wzorach, tworząc znaki. W większości zastosowań wykorzystanie drukarek dot-matrix zostało zastąpione przez inne technologie., Jednak drukarka z matrycą punktową jest jedyną technologią drukującą zdolną do generowania duplikatów i trójplikatów wydruków z kopią węglową.
– drukarka atramentowa — w piezoelektrycznej drukarce atramentowej, piezoelektryczne siłowniki w głowicy drukarki działają na małe membrany lub w inny sposób zmieniają geometrię studni atramentowej, tak że krople atramentu są wypychane z otworu na papier. Jest to jedna z dominujących technologii na rynku drukarek do tej pory.,
Głośniki piezoelektryczne — Głośniki piezoelektryczne występują praktycznie w każdej aplikacji, która musi efektywnie wytwarzać dźwięk z małego elektronicznego gadżetu. Tego typu głośniki są zwykle niedrogie i wymagają niewielkiej mocy, aby wytworzyć stosunkowo duże wolumeny dźwięku., Tak więc Głośniki piezoelektryczne są często spotykane w urządzeniach takich jak:
– telefony komórkowe
– słuchawki
– zabawki dźwiękowe
-muzyczne kartki z życzeniami
– Muzyczne balony
brzęczyki piezoelektryczne– brzęczyki piezoelektryczne są podobne do głośników piezoelektrycznych, ale zwykle są zaprojektowane z mniejszą wiernością, aby uzyskać głośniejszy dźwięk w węższym zakresie częstotliwości., Brzęczyki są używane w pozornie niekończącej się tablicy urządzeń elektronicznych, w tym:
piezoelektryczne Nawilżacze — wiele chłodnych nawilżaczy mgły wykorzystuje przetwornik piezoelektryczny do przesyłania ultradźwiękowej energii dźwiękowej do basenu z wodą. Drgania ultradźwiękowe powodują, że drobne kropelki wody odrywają się i rozpylają od powierzchni basenu, gdzie zostają uwięzione w strumieniu powietrza i wchodzą do pożądanej przestrzeni.
elektroniczne Szczoteczki Do Zębów — liniowe siłowniki piezoelektryczne są zaimplementowane w celu wibracji włosia w niektórych elektronicznych szczoteczkach do zębów.,
materiały piezoelektryczne do zastosowań muzycznych
oprócz zastosowań technologicznych i przemysłowych, piezoelektryczność przynosi również korzyści sztuce. Istnieje wiele aplikacji muzycznych, które wykorzystują piezoelektryczność:
przetworniki instrumentów — wiele akustyczno-elektrycznych instrumentów strunowych wykorzystuje przetworniki piezoelektryczne do konwersji drgań akustycznych na sygnały elektryczne. Zazwyczaj pasek materiału piezoelektrycznego jest umieszczony między korpusem instrumentu a strukturą, która obsługuje struny., Na przykład, gitara akustyczno-elektryczna zwykle mieści swój pas piezoelektryczny pod mostem i w siodle. Gdy struny wibrują, taśma jest poruszana, aby wygenerować sygnał elektryczny. Przetworniki elektryczne na skrzypcach, altówkach i wiolonczel używają tej samej koncepcji, ale przetwornik piezoelektryczny może być zaciśnięty do mostu lub zintegrowany z mostem-zamiast znajdować się między mostem a korpusem instrumentu.,
Mikrofony-niektóre mikrofony (np. mikrofony kontaktowe do instrumentów perkusyjnych) wykorzystują materiały piezoelektryczne do konwersji drgań dźwiękowych na wyjście elektryczne. Mikrofony te zazwyczaj posiadają wysokie impedancje wyjściowe, które muszą być dopasowane przy projektowaniu odpowiednich przedwzmacniaczy.
Korzystanie z piezoelektryczności w innych aplikacjach
Czy masz aplikację, której nie było na liście? Zastanawiasz się, czy możesz użyć piezoelektryczności?, Następujące zastosowania piezoelektryczności reprezentują inne opcje dla Twojej branży:
piezoelektryczne zapalniki — jest to prawdopodobnie najbardziej znane i wszechobecne zastosowanie piezoelektryczności. W piezoelektrycznym zapalniku przycisk lub spust służy do zacinania i zwalniania sprężynowego młotka, a młotek służy do uderzania piezoelektrycznej ceramiki w kształcie pręta. Nagły wstrząs mechaniczny piezoelektrycznej ceramiki powoduje gwałtowny wzrost napięcia, które jest wystarczająco wysokie, aby przeskoczyć sporą lukę iskrową i zapalić paliwo., Zapalniki piezoelektryczne są powszechnie stosowane w zapalniczkach butanowych, grillach gazowych, piecach gazowych, palnikach i improwizowanych armat ziemniaczanych.
Wytwarzanie energii elektrycznej-niektóre zastosowania wymagają pozyskiwania energii ze zmian ciśnienia, drgań lub impulsów mechanicznych. Zbieranie energii jest możliwe dzięki wykorzystaniu materiałów piezoelektrycznych do przekształcania ugięć lub przemieszczeń w energię elektryczną, która może być używana lub przechowywana do późniejszego wykorzystania.,
Microelectronic Mechanical Systems (MEMS) — urządzenia MEMS stały się bardziej powszechne, ponieważ bardziej zintegrowane funkcje są wymagane w mniejszych pakietach, takich jak telefony komórkowe, tablety itp. Zaletą urządzeń MEMS jest to, że żyroskopy, akcelerometry i inercyjne urządzenia pomiarowe mogą być zintegrowane w Pakiety o rozmiarach chipów. W tym celu często stosuje się piezoelektryczne siłowniki i czujniki.,
rakiety tenisowe — dość nietypowe zastosowanie piezoelektryczności integruje włókna piezoelektryczne w gardle rakiety tenisowej wraz z mikrokontrolerem w uchwycie. Kiedy tenisista uderza w piłkę, rama rakiety odbija się i generuje moc elektryczną, która jest wzmocniona, odwrócona i podawana z powrotem do włókien. Jest to próba wywołania destrukcyjnych zakłóceń i tłumienia wibracji strukturalnych.,
Korzystanie z piezoelektryczności w zastosowaniach obronnych
Jeśli jesteś częścią przemysłu obronnego, możesz użyć piezoelektryczności do różnych zastosowań:
mikro Robotyka — w dziedzinie małej robotyki potrzebne są małe energooszczędne siłowniki mechaniczne i czujniki. Dzięki zastosowaniu piezoelektrycznych siłowników, zbudowanie czegoś tak małego, jak robotyczna mucha, która może pełzać i latać, jest technicznie wykonalne. W rzeczywistości nowa dziedzina technologii robotycznej znana jako mikro pojazdy powietrzne ma na celu budowę małych dronów wielkości owadów lub ptaków, które latają za pomocą trzepotania skrzydłami., Kontrolują powierzchnie tak jak ptaki i owady. Tego typu wyczyny w miniaturyzacji są możliwe częściowo dzięki zastosowaniu siłowników piezoelektrycznych.
Naboje zmieniające kurs-ostatnio DARPA wynalazłPocisk kalibru 50, który może zmienić kurs w trakcie lotu. Choć dla niektórych czytelników ta innowacja może wydawać się absurdalna, pocisk wykorzystuje czujnik optyczny zamontowany na nosie w połączeniu z systemem sterowania i ruchomymi płetwami ogonowymi, aby skierować się w stronę oświetlonego laserowo celu., Chociaż DARPA nie ujawnił zbyt wiele na temat ich Ekstremalnej celności (exacto) pocisku, najbardziej prawdopodobnym sposobem manipulowania płetwami ogonowymi są prawdopodobnie siłowniki piezoelektryczne.