Ce telefoane mobile, diesel, injectoare, chitara acustica camionete, grătar aprinzătoare, traductoare cu ultrasunete, senzori de vibrații, anumite imprimante și felicitări muzicale, toate au în comun? Pe lângă faptul că sunt dispozitive electronice, toate aceste aplicații utilizează piezoelectricitatea într-un fel. Să explorăm cum funcționează piezoelectricitatea și să analizăm unele aplicații ale materialelor piezoelectrice în viața de zi cu zi.
cum funcționează Materialul Piezoelectric?,datând din 1880 și din munca revoluționară a fraților Pierre și Jacques Curie, efectul piezoelectric se referă la capacitatea materialelor specifice — cum ar fi cuarțul, turmalina, topazul și sarea Rochelle — de a produce o sarcină electrică atunci când sunt supuse stresului mecanic. Termenul „piezo” poate chiar să-și urmărească rădăcinile înapoi în greaca antică, unde semnificațiile sale se referă la acțiuni de împingere, stoarcere și presare.nici o explicație a efectului piezoelectric nu ar fi completă fără o scurtă discuție despre ce sunt și dispozitivele piezoelectrice., Astăzi, datorită dezvoltării suplimentare a materialelor piezoelectrice provocate de om — inclusiv ceramica piezoelectrică-aplicațiile piezoelectricității în dispozitivele electronice cresc într-un ritm interesant.
cum funcționează efectul Piezoelectric cu senzori și motoare
Pentru început, probabil că nu există o aplicație mai populară a efectului piezoelectric decât ca sursă de energie de înaltă tensiune în brichetele electrice și grătarele cu gaz., În aceste cazuri, un ciocan lovește o bucată de material piezo, care apoi produce suficient curent pentru a crea o scânteie care aprinde gazul inflamabil în prezența sa. Cu toate acestea, în alte aplicații, cum ar fi senzorii, ciocanul ca excitator al materialului piezo este de obicei înlocuit cu alte forme de energie, cum ar fi undele sonore — inclusiv ultrasunetele.când sunt puse să funcționeze în senzori, materialele piezo pot detecta chiar și unele dintre cele mai mici perturbații și anomalii, ceea ce le face dispozitive ideale în testarea nedistructivă industrială și imagistica medicală.,în alte cazuri, motoarele piezoelectrice pot efectua mișcări foarte precise și repetabile. Această abilitate le face dispozitive excelente pentru mișcările de precizie ale dispozitivelor optice sensibile, cum ar fi telescoapele și microscoapele.în comparație cu alte componente electronice, dispozitivele piezoelectrice au mai multe avantaje, precum și unele dezavantaje.,avantajele lor includ următoarele aspecte:
- nu este necesară o sursă externă de alimentare: datorită capacității lor de a produce o tensiune atunci când este acționată de o forță, materialele piezo nu necesită o sursă externă de alimentare.
- instalare ușoară: cu dimensiuni mici, sunt o potrivire excelentă și ușor de instalat în dispozitive electronice de înaltă densitate.
- receptivitate la frecvențe înalte: în comparație cu alte dispozitive, materialele piezo au un răspuns de frecvență substanțial mai mare — ceea ce le face să răspundă minunat chiar și în cele mai solicitante situații.,materiale extrem de flexibile: majoritatea materialelor piezo pot fi construite într-o mare varietate de forme și dimensiuni, astfel încât acestea sunt extrem de utile în diverse aplicații și domenii.materialele Piezo prezintă, de asemenea, următoarele limitări sau dezavantaje:
- cantitate mică de sarcină electrică: deși se autogenerează, materialele piezo produc sarcini electrice destul de mici, ceea ce înseamnă că este necesar un cablu de impedanță ridicată pentru a le conecta la o interfață electrică.,
- condițiile de mediu afectează performanța: materialele Piezo sunt afectate de temperatură și modificări ale umidității. În plus, în timp ce sunt în stare statică, nu pot măsura ieșirea.
- producția este relativ scăzută: în timp ce unele materiale piezo produc mai multă producție decât altele, toate sunt relativ scăzute. Pentru ca utilizarea lor să fie optimizată, va fi adesea necesar un circuit extern.
senzori piezoelectrici în aplicații industriale
sectorul industrial utilizează adesea senzori piezoelectrici pentru o varietate de utilizări., Unele utilizări obișnuite, de zi cu zi, includ:
senzori de lovire a motorului — producătorii de motoare se confruntă constant cu provocări legate de controlul parametrilor motorului. În circumstanțe greșite, motoarele pe benzină sunt susceptibile la un fenomen nedorit cunoscut sub numele de detonare. Când are loc detonarea, încărcarea aer/combustibil explodează în loc să ardă fără probleme, dăunând astfel motorului. Din punct de vedere istoric, acesta este motivul pentru care majoritatea producătorilor au proiectat motoare cu marje operaționale conservatoare în detrimentul eficienței — a fost pentru a evita această problemă notorie.,odată cu dezvoltarea unor sisteme de control mai bune, parametrii relevanți ai motorului pot fi reglați în timp real pentru a maximiza eficiența și puterea. Dacă detonarea începe să apară, senzorii de lovire piezoelectrici pot fi folosiți pentru a simți detonarea înainte de a deveni problematică. Acest lucru oferă sistemelor de control timp pentru a face ajustările necesare.
senzori de presiune-în aproape orice aplicație care necesită măsurarea schimbărilor dinamice de presiune, utilizarea senzorilor de presiune piezoelectrici produce rezultate mai fiabile decât utilizarea senzorilor de presiune electromecanici convenționali., Acest lucru este pentru dispozitive piezoelectrice au o frecvență mare de răspuns și de conversie a semnalului, fără a necesita nici burduf, diafragma, sau orice tip de legătură mecanică în combinație cu un strain gage sau senzor de deplasare.echipamente Sonar-sonarele de adâncime și echipamentele sonar se bazează pe senzori piezoelectrici pentru a transmite și primi „ping-uri” ultrasonice în gama 50-200KHz. Pe lângă faptul că au un răspuns de frecvență ideal pentru astfel de aplicații, traductoarele piezoelectrice au o densitate mare de putere care permite transmiterea unor cantități mari de putere acustică dintr-un pachet mic., De exemplu, un traductor care are doar 4 ” (100 mm) în diametru poate fi capabil să gestioneze o putere mai mare de 500 de wați.în timp ce senzorii piezoelectrici sunt extrem de valoroși pentru sectorul industrial, industria utilizează și actuatori piezoelectrici pentru o varietate de aplicații: injectoarele de combustibil Diesel — în ultimul deceniu, reglementările privind emisiile motoarelor diesel au devenit din ce în ce mai stricte. În plus, clienții continuă să solicite motoare mai silențioase, cu curbe îmbunătățite de putere și cuplu., Pentru a răspunde acestor cerințe stricte de Conformitate și performanță, producătorii de motoare au recurs la utilizarea injecțiilor de combustibil cu precizie temporizată și măsurată în timpul procesului de ardere.
oricât de incredibil ar suna acest lucru, un singur injector de combustibil poate comuta debitul de combustibil cu presiuni care depășesc 26.000 psi (1800 bar) pornit și oprit de mai multe ori în succesiune rapidă în timpul unei singure curse de putere. Un astfel de control precis al fluidului de înaltă presiune este posibil prin utilizarea servomotoarelor piezoelectrice care controlează supapele mici din injectoarele de combustibil.,solenoizi cu Răspuns rapid-unele procese necesită o acționare mecanică rapidă și precisă, care este dificil, dacă nu imposibil, de realizat cu solenoizi electromagnetici. În timp ce viteza nu poate fi întotdeauna o preocupare, consumul de energie sau compactitatea dimensiunii este o prioritate de top. În astfel de cazuri, actuatoarele piezoelectrice sunt adesea capabile să umple nișa, deoarece oferă un răspuns rapid și un consum redus de energie în pachete mici, în comparație cu solenoizii electromagnetici.,reglarea optică – unele optice trebuie reglate sau modulate cu un răspuns de frecvență largă și cu un număr minim de piese în mișcare. Actuatoarele piezoelectrice sunt adesea folosite în astfel de aplicații unde asigură un control rapid și precis pe o durată lungă de viață:
– unghiul unei oglinzi sau al unei grătare de difracție poate fi necesar să fie precis variat în funcție de o intrare electrică. Astfel de aplicații sunt adesea întâlnite în experimente optice sau fizice.,
– rețelele de telescoape terestre sunt supuse distorsiunilor atmosferice, iar optica navelor spațiale este supusă mișcării și vibrațiilor. În astfel de cazuri, este posibil ca optica să fie reglată (în formă sau conturată) în timp real cu ajutorul unui sistem de control. Acest lucru va compensa aberațiile care altfel ar împiedica rezoluția imaginii.
– unele convertoare de fibră optică se bazează pe actuatoare piezoelectrice pentru a modula ieșirea unui laser.curatare cu ultrasunete-actuatoarele piezoelectrice sunt de asemenea utilizate pentru aplicatii de curatare cu ultrasunete., Pentru a efectua curățarea cu ultrasunete, obiectele sunt scufundate într-un solvent (apă, alcool, acetonă etc.).). Un traductor piezoelectric agită apoi solventul. Multe obiecte cu suprafețe inaccesibile pot fi curățate folosind această metodologie.sudarea cu ultrasunete – multe materiale plastice pot fi îmbinate folosind un proces cunoscut sub numele de sudare cu ultrasunete. Acest tip de proces necesită ca undele ultrasonice să fie transmise într-o zonă concentrată, unde pot provoca fuziuni de plastic. Frecvent, actuatoarele piezoelectrice sunt utilizate pentru a îndeplini această sarcină.,motoare piezoelectrice-un avantaj al utilizării materialelor piezoelectrice este că caracteristicile lor sunt precise și previzibile. Astfel, expansiunea și contracția unui actuator piezoelectric pot fi controlate cu precizie atât timp cât tensiunea de alimentare este controlată. Unele modele de motoare profită de acest fapt folosind elemente piezoelectrice pentru a deplasa un rotor sau un element liniar în trepte precise. Precizia de ordinul nanometrelor poate fi obținută cu unele modele de motoare piezo. Motoarele Piezo funcționează la o gamă largă de frecvențe, dar de obicei funcționează cel mai bine într-o gamă de frecvențe joase.,pe lângă precizia lor inerentă, motoarele piezoelectrice pot fi utilizate în medii cu câmpuri magnetice puternice sau temperaturi criogenice — medii în care este puțin probabil ca motoarele convenționale să funcționeze. Aceste provocări unice sunt prezente în mașinile NMRI, acceleratoarele de particule și alte medii similare.
actuatoare stivă — mai multe elemente piezoelectrice pot fi stivuite pentru a multiplica deplasarea obținută pentru o anumită tensiune. Aceste tipuri de dispozitive sunt cunoscute sub numele de actuatoare de stivă și sunt folosite într-o varietate de aplicații de specialitate., În comparație cu actuatoarele electromagnetice convenționale, actuatoarele cu stivă au următoarele avantaje unice:
– pot funcționa la temperaturi criogenice sau în medii cu câmpuri magnetice puternice.– pot produce o cantitate mare de forță într– un pachet mic
– pot răspunde aproape instantaneu la intrare cu rate ridicate de accelerare.
– pot atinge grade extrem de ridicate de precizie.
– consumă energie numai atunci când se lucrează efectiv.,aceste actuatoare își găsesc utilizările în proporționarea supapelor, releelor electrice, modulării optice, amortizării vibrațiilor și a altor aplicații care necesită un control rapid sau precis al mișcării.servomotoare cu bandă-două benzi de material piezoelectric pot fi intercalate într-o configurație similară unei benzi bimetalice. În această configurație, intrarea electrică determină o bandă să se extindă în timp ce cealaltă bandă se contractă simultan, provocând o deviere.,relee piezoelectrice-elementele piezoelectrice pot fi implementate pentru acționarea releelor sau comutatoarelor electromecanice. Pentru aceste aplicații, pot fi utilizate actuatoare cu bandă sau actuatoare cu stivă pentru deschiderea și închiderea contactelor electrice. Astfel de dispozitive nu necesită întreținere și durează multe cicluri fără uzură vizibilă. Ca un beneficiu suplimentar, utilizarea servomotoarelor piezoelectrice pentru operarea contactelor electrice permite un control rapid și precis în pachete mici, dificil sau imposibil de realizat cu relee electromagnetice.,
Foloseste de Senzorii Piezoelectrici în Aplicații Medicale
uită-te la cât de domeniul medical, de asemenea, pune în aplicare senzorii piezoelectrici pentru o varietate de zi cu zi aplicatii:
Imagistica cu Ultrasunete — traductoare Piezoelectrice sunt adesea folosite în medicină echipamente cu ultrasunete. Progresele în echipamente de-a lungul deceniilor au permis monitorizarea îmbunătățită a sarcinilor și au facilitat procedurile chirurgicale minim invazive.,proceduri ultrasonice – unele proceduri medicale non-invazive se bazează pe utilizarea undelor ultrasonice concentrate pentru a rupe pietrele la rinichi sau pentru a distruge țesutul malign. În plus, apariția bisturiului armonic a permis chirurgilor să incizeze și să coaguleze simultan țesutul în timpul unei proceduri chirurgicale, fără a fi nevoie de cauterizare. Acest lucru duce la mai puține leziuni tisulare, mai puține pierderi de sânge și timpi de vindecare mai rapizi.
actuatoare piezoelectrice în Electronice de consum
Ce zici de electronice de consum și tehnologie, care este vândut în magazine din întreaga țară?, Necunoscut pentru mulți consumatori, actuatori piezoelectrici sunt utilizate in electronica peste tot:
Piezoelectric Imprimante — în General vorbind, există două tipuri principale de imprimante care folosesc actuatori piezoelectrici:
– o imprimanta dot-matrix — Într-un piezoelectric dot matrix printer, actuatori piezoelectrici în imprimantă muta capul de ace ca ace că „poke” printr-o fâșie de cerneală bandă (similar cu o mașină de scris) față de o bucată de hârtie în diferite modele pentru a forma caractere. Pentru majoritatea aplicațiilor, utilizarea imprimantelor dot-matrix a fost înlocuită de alte tehnologii., Cu toate acestea, o imprimantă dot-matrix este singura tehnologie de imprimantă capabilă să genereze imprimări duplicate și triplicate de carbon.
– imprimantă cu jet de cerneală — într-o imprimantă cu jet de cerneală piezoelectrică, actuatoarele piezoelectrice din capul imprimantei acționează asupra diafragmelor mici sau schimbă altfel geometria unei cerneală, astfel încât picăturile de cerneală să fie forțate dintr-un orificiu pe hârtie. Aceasta este una dintre tehnologiile dominante de pe piața imprimantelor până în prezent.,difuzoare piezoelectrice-difuzoarele piezoelectrice sunt prezentate în aproape fiecare aplicație care trebuie să producă eficient sunet de la un mic gadget electronic. Aceste tipuri de difuzoare sunt de obicei ieftine și necesită puțină putere pentru a produce volume de sunet relativ mari., Astfel, piezoelectric difuzoarele sunt adesea găsit în dispozitive, cum ar fi următoarele:
– telefoane Celulare
– muguri Ureche
– Sunet-producătoare de jucării
– felicitari Muzicale
– Muzical baloane
Piezoelectric Sonerii — Piezoelectric sonerii sunt similare piezoelectric difuzoare, dar ele sunt de obicei proiectate cu o fidelitate mai redusă de a produce un volum mai tare pe o îngustă de frecvențe., Sonerii sunt utilizate într-o gamă aparent fără sfârșit de dispozitive electronice, inclusiv:
Piezoelectric Umidificatoare — Multe ceață rece, folosiți un traductor piezoelectric pentru a transmite ultrasunete de energie într-un bazin de apă. La vibrații ultrasonice cauza picături fine de apă de a se rupă și pulveriza de la suprafața exterioară, unde sunt antrenate într-un curent de aer și introduceți spațiul dorit.periuțele de dinți electronice — actuatoarele piezoelectrice liniare sunt implementate pentru a vibra perii în unele periuțe de dinți electronice.,
materiale piezoelectrice pentru aplicații muzicale
pe lângă aplicațiile tehnologice și industriale, piezoelectricitatea beneficiază și de Arte. Există o varietate de aplicații muzicale care folosesc piezoelectricitate:
Instrument Camionete — Multe acustic-electric instrumente cu coarde utiliza piezoelectrice pentru a converti vibrații acustice la semnale electrice. De obicei, o bandă de material piezoelectric este plasată între corpul instrumentului și o structură care susține șirurile., De exemplu, o chitară acustică-electrică găzduiește de obicei banda piezoelectrică sub pod și în șa. Pe măsură ce șirurile vibrează, banda este agitată pentru a genera un semnal electric. Pickup — urile electrice pe viori, viole și violoncele folosesc același concept, dar pickup-ul piezoelectric poate fi fixat pe pod sau integrat în pod-în loc să fie localizat între pod și corpul instrumentului.,Microfoane-unele Microfoane (cum ar fi microfoanele de contact pentru instrumentele de percuție) utilizează materiale piezoelectrice pentru a converti vibrațiile sonore la o ieșire electrică. Aceste microfoane posedă, în general, impedanțe de ieșire ridicate care trebuie să fie potrivite la proiectarea pre-amplificatoarelor respective.
utilizarea Piezoelectricității în alte aplicații
aveți o aplicație care nu a fost listată pe listă? Vă întrebați dacă puteți utiliza piezoelectricitatea?, Următoarele utilizări ale piezoelectricității reprezintă alte opțiuni pentru industria dvs.:
Ignitoare piezoelectrice — aceasta este, probabil, cea mai cunoscută și omniprezentă utilizare a piezoelectricității. Într-un aprinzător piezoelectric, un buton sau un declanșator este folosit pentru a agăța și elibera un ciocan încărcat cu arc, iar ciocanul este folosit pentru a lovi o ceramică piezoelectrică în formă de tijă. Șocul mecanic brusc la ceramica piezoelectrică produce o creștere rapidă a tensiunii, care este suficient de mare pentru a sări un spațiu considerabil de scânteie și a aprinde combustibilul., Aprinzătoarele piezoelectrice sunt utilizate în mod obișnuit pentru brichete cu Butan, grătare cu gaz, sobe cu gaz, suflante și tunuri improvizate de cartofi.generarea de energie electrică – unele aplicații necesită recoltarea energiei din schimbări de presiune, vibrații sau impulsuri mecanice. Recoltarea energiei este posibilă prin utilizarea materialelor piezoelectrice pentru a converti deformările sau deplasările în energie electrică care poate fi utilizată sau stocată pentru o utilizare ulterioară.,sisteme mecanice microelectronice — MEMS) – dispozitivele MEMS au devenit mai obișnuite, deoarece sunt necesare mai multe capabilități integrate în pachete mai mici, cum ar fi telefoanele mobile, tabletele etc. Avantajul dispozitivelor MEMS este că giroscoapele, accelerometrele și dispozitivele de măsurare inerțiale pot fi integrate în pachete de dimensiuni de cip. Pentru a realiza o astfel de realizare, sunt adesea folosite actuatoare piezoelectrice și senzori.,rachete de tenis-o aplicație oarecum neobișnuită pentru Piezoelectricitate integrează fibrele piezoelectrice în gâtul unei rachete de tenis împreună cu un microcontroler în mâner. Atunci când jucătorul de tenis lovește mingea, cadrul rachetei deviază și generează o ieșire electrică care este amplificată, inversată și alimentată înapoi în fibre. Aceasta este o încercare de a provoca interferențe distructive și de a amortiza vibrațiile structurale.,dacă sunteți o parte a industriei de apărare, puteți utiliza Piezoelectricitate pentru o varietate de aplicații:
Micro robotică — în domeniul roboticii mici, sunt necesare actuatoare mecanice și senzori eficienți din punct de vedere energetic. Cu ajutorul actuatoarelor piezoelectrice, construirea a ceva la fel de mic ca o muscă robotică care se poate târî și zbura este fezabilă din punct de vedere tehnic. De fapt, un nou domeniu de tehnologie robotică cunoscut sub numele de vehicule aeriene Micro își propune să construiască drone mici de dimensiunea insectelor sau a păsărilor care zboară folosind aripi aripi., Ele controlează suprafețele la fel ca păsările și insectele. Aceste tipuri de fapte în miniaturizare sunt posibile, în parte, prin utilizarea actuatoarelor piezoelectrice.
gloanțe schimbătoare de curs-recent, DARPA a inventat a .50-calibru glonț care poate schimba cursul în mijlocul zborului. Oricât de absurdă ar părea această inovație pentru unii cititori, glonțul folosește un senzor optic care este montat pe nas în combinație cu un sistem de control și aripioare mobile pentru a se îndrepta spre o țintă iluminată cu laser., Deși DARPA nu a dezvăluit prea multe despre glonțul Ordonanței lor de precizie extremă (EXACTO), cel mai probabil mijloc de manipulare a aripioarelor de coadă implică probabil actuatoare piezoelectrice.