vad gör mobiltelefoner, dieselbränsleinjektorer, akustiska gitarr pickups, grill igniters, ultraljudsomvandlare, vibrationssensorer, vissa skrivare och musikaliska gratulationskort har alla gemensamt? Förutom att vara elektroniska enheter, alla dessa program använder piezoelektricitet på något sätt. Låt oss undersöka hur piezoelektricitet fungerar och titta på vissa tillämpningar av piezoelektriska material i det dagliga livet.
Hur fungerar piezoelektriskt Material?,
med Anor hela vägen tillbaka till 1880 och banbrytande verk av bröderna Pierre och Jacques Curie, den piezoelektriska effekten hänvisar till möjligheten av specifika material — såsom kvarts, turmalin, topas och Rochelle salt — för att producera en elektrisk laddning när de utsätts för mekaniska påfrestningar. Termen ”piezo” kan till och med spåra sina rötter tillbaka till antikens grekiska, där dess betydelser hänför sig till handlingar att trycka, klämma och pressa.
ingen piezoelektrisk effekt förklaring skulle vara komplett utan en kort diskussion om vad piezoelektriska enheter är också., Idag, tack vare den ytterligare utvecklingen av konstgjorda piezo — material — inklusive piezoelektrisk keramik-växer applikationerna av piezoelektricitet i elektroniska enheter i en spännande takt.
hur piezoelektriska effekten fungerar med sensorer och motorer
till att börja med finns det förmodligen ingen mer populär tillämpning av piezoelektriska effekten än som en högspänningskälla i elektriska cigarettändare och gasgrillar., I dessa fall slår en hammare en bit piezo-material, som sedan producerar tillräckligt med ström för att skapa en gnista som antänder den brandfarliga gasen i sin närvaro. Men i andra applikationer som sensorer ersätts hammaren som en exciter av piezo-materialet vanligtvis av andra former av energi som ljudvågor-inklusive ultraljud.
när de sätts i arbete i sensorer kan piezo-material upptäcka även några av de mest minutstörningar och anomalier, vilket gör dem idealiska enheter i industriell icke-förstörande testning och medicinsk bildbehandling.,
i andra fall kan piezoelektriska motorer utföra mycket exakta och repeterbara rörelser. Denna förmåga gör dem utmärkta enheter för precisionsrörelser känsliga optiska enheter som teleskop och mikroskop.
piezoelektriska fördelar och nackdelar
jämfört med andra elektroniska komponenter har piezoelektriska enheter flera fördelar, liksom vissa nackdelar.,
deras fördelar inkluderar följande aspekter:
- ingen extern strömkälla krävs: tack vare sin förmåga att producera en spänning när den påverkas av en kraft kräver piezo-material Ingen extern strömkälla.
- enkel installation: med små dimensioner, de är en bra passform och enkelt installeras i hög densitet elektroniska enheter.
- lyhördhet för högfrekvenser: jämfört med andra enheter har piezo-Material ett väsentligt högre frekvenssvar — vilket gör dem underbart lyhörda i även de mest krävande situationerna.,
- mycket flexibla material: de flesta piezo-material kan konstrueras i en mängd olika former och storlekar, så de är mycket användbara över olika applikationer och fält.
Piezo-material visar också följande begränsningar eller nackdelar:
- liten mängd elektrisk laddning: även om de är självgenererande producerar piezo-material ganska små elektriska laddningar, vilket innebär att en hög impedanskabel krävs för att ansluta dem till ett elektriskt gränssnitt.,
- miljöförhållanden påverkar prestanda: Piezo-material påverkas av temperatur och förändringar i fuktighet. Plus, medan de är i statiskt tillstånd, kan de inte mäta produktionen.
- – utgången är relativt låg: medan vissa piezo-material producerar mer produktion än andra är de alla relativt låga. För att deras användning ska optimeras krävs ofta en extern krets.
piezoelektriska sensorer i industriella tillämpningar
industrisektorn använder ofta piezoelektriska sensorer för olika användningsområden., Några vanliga, vardagliga användningsområden är:
Motor Knock Sensors — motortillverkare står ständigt inför utmaningar relaterade till kontrollen av motorparametrar. Under fel omständigheter är bensinmotorer mottagliga för ett oönskat fenomen som kallas detonation. När detonation inträffar exploderar luft / bränsleladdningen istället för att brinna smidigt och därigenom skada motorn. Historiskt sett är det därför de flesta tillverkare utformade motorer med konservativa operativa marginaler på bekostnad av effektivitet — det var för att undvika detta ökända problem.,
med utvecklingen av bättre styrsystem kan de relevanta motorparametrarna justeras i realtid för att maximera effektivitet och effekt. Om detonation börjar inträffa kan piezoelektriska knocksensorer användas för att känna av detonationen innan det blir problematiskt. Detta ger styrsystem tid att göra nödvändiga justeringar.
tryckgivare — i nästan alla program som kräver mätning av dynamiska tryckförändringar, med hjälp av piezoelektriska tryckgivare ger mer tillförlitliga resultat än att använda konventionella elektromekaniska tryckgivare., Detta beror på att piezoelektriska enheter har ett högfrekvent svar och signalomvandling utan att kräva några bälgar, membran eller någon typ av mekanisk koppling i samband med en spänningsgage eller förskjutningssensor.
Sonarutrustning — djup sounders och sonarutrustning är i stor utsträckning beroende av piezoelektriska sensorer för att överföra och ta emot ultraljud ”pings” i 50-200kHz-intervallet. Förutom att ha ett idealiskt frekvensrespons för sådana applikationer har piezoelektriska givare en hög effekttäthet som gör det möjligt att överföra stora mängder akustisk effekt från ett litet paket., Till exempel kan en givare som är endast 4″ (100 mm) i diameter kunna hantera uteffekt större än 500 watt.
användning av piezoelektriska ställdon i industriella tillämpningar
medan piezoelektriska sensorer är mycket värdefulla för industrisektorn, använder industrin också piezoelektriska ställdon för olika tillämpningar:
Dieselbränsleinjektorer — under det senaste decenniet har reglerna om utsläpp från dieselmotorer blivit allt strängare. Dessutom fortsätter kunderna att kräva tystare motorer med förbättrade effekt-och vridmomentkurvor., För att möta dessa stränga krav på överensstämmelse och prestanda har motortillverkare tillgripit att använda exakt tidsbestämda och uppmätta bränsleinjektioner under förbränningsprocessen.
så otroligt som det här kan låta, kan en enda bränsleinsprutare byta bränsleflöde med tryck som överstiger 26 000 psi (1800 bar) på och av flera gånger i snabb följd under ett enda strömavbrott. Sådan exakt styrning av högtrycksvätska möjliggörs genom användning av piezoelektriska ställdon som styr små ventiler inom bränsleinsprutare.,
snabba Svarsolenoider — vissa processer kräver snabb och exakt mekanisk manövrering som är svår, om inte omöjligt, att uppnå med elektromagnetiska Solenoider. Även om hastigheten inte alltid är ett problem, är strömförbrukning eller kompaktitet av storlek en högsta prioritet. I sådana fall kan piezoelektriska ställdon ofta fylla nischen eftersom de ger snabb respons och låg strömförbrukning i små paket jämfört med elektromagnetiska Solenoider.,
optisk justering — viss optik måste justeras eller moduleras med ett brett frekvenssvar och med ett minimum antal rörliga delar. Piezoelektriska ställdon används ofta i sådana tillämpningar där de ger snabb och noggrann kontroll över en lång livslängd:
– vinkeln på en spegel eller diffraktionsgitter kan behöva varieras exakt beroende på en elektrisk ingång. Sådana tillämpningar förekommer ofta i optiska eller fysik experiment.,
– jordbaserade teleskop arrayer är föremål för atmosfärisk distorsion, och rymdfarkoster optik är föremål för rörelse och vibration. I sådana fall kan optik behöva justeras (formad eller konturerad) i realtid med hjälp av ett styrsystem. Detta kommer att kompensera för avvikelser som annars skulle hindra bildupplösning.
– vissa Fiberoptiska omvandlare är beroende av piezoelektriska manöverdon för att modulera utsignalen från en laser.
ultraljudsrengöring — piezoelektriska ställdon används också för ultraljudsrengöring., För att utföra ultraljudsrengöring nedsänks föremål i ett lösningsmedel (vatten, alkohol, aceton etc.). En piezoelektrisk givare agiterar sedan lösningsmedlet. Många föremål med otillgängliga ytor kan rengöras med hjälp av denna metod.
ultraljudssvetsning — många plaster kan sammanfogas med hjälp av en process som kallas ultraljudssvetsning. Denna typ av process kräver att ultraljudsvågor överförs till ett fokuserat område där de kan få bitar av plast att smälta ihop. Ofta används piezoelektriska ställdon för att utföra denna uppgift.,
piezoelektriska motorer — en fördel med att använda piezoelektriska material är att deras egenskaper är exakta och förutsägbara. Således kan expansion och sammandragning av ett piezoelektriskt ställdon exakt styras så länge som matningsspänningen styrs. Vissa motorkonstruktioner dra nytta av detta faktum genom att använda piezoelektriska element för att flytta en rotor eller linjärt element i exakta steg. Precision i storleksordningen nanometer kan uppnås med vissa piezo motor mönster. Piezo motorer arbetar på ett brett spektrum av frekvenser men fungerar vanligtvis bäst i ett lågt frekvensområde.,
förutom deras inneboende precision kan piezoelektriska motorer användas i miljöer med starka magnetfält eller kryogena temperaturer — miljöer där konventionella motorer sannolikt inte fungerar. Dessa unika utmaningar finns i nmri-maskiner, partikelacceleratorer och andra liknande miljöer.
Stack ställdon — flera piezoelektriska element kan staplas för att multiplicera förskjutningen uppnås för en given spänning. Dessa typer av enheter är kända som stack ställdon, och de används i en mängd olika specialtillämpningar., Jämfört med konventionella elektromagnetiska ställdon har stack ställdon följande unika fördelar:
– de kan fungera vid kryogena temperaturer eller i miljöer med starka magnetfält.
– de kan producera en stor mängd kraft i ett litet paket
– de kan svara nästan omedelbart för inmatning med höga accelerationshastigheter.
– de kan uppnå extremt höga grader av precision.
– de förbrukar bara ström när arbetet faktiskt utförs.,
dessa ställdon finner sin användning i proportioneringsventiler, elektriska reläer, optisk modulering, vibrationsdämpning och andra applikationer som kräver snabb eller exakt rörelsestyrning.
Stripe ställdon — två remsor av piezoelektriskt material kan vara inklämt tillsammans i en konfiguration som liknar en bimetallisk remsa. I denna konfiguration orsakar den elektriska ingången en remsa att expandera medan den andra remsan samtidigt kontraherar, vilket orsakar en avböjning.,
piezoelektriska reläer — piezoelektriska element kan implementeras för att aktivera elektromekaniska reläer eller växlar. För dessa tillämpningar kan antingen stripe ställdon eller stack ställdon användas för att öppna och stänga elektriska kontakter. Sådana anordningar är underhållsfria och varar genom många cykler utan märkbart slitage. Som en ytterligare fördel, med hjälp av piezoelektriska ställdon för att driva elektriska kontakter möjliggör snabb och exakt kontroll i små paket som är antingen svårt eller omöjligt att uppnå med elektromagnetiska reläer.,
användning av piezoelektriska sensorer i medicinska tillämpningar
ta en titt på hur det medicinska fältet också implementerar piezoelektriska sensorer för en mängd olika dagliga applikationer:
ultraljudsavbildning-piezoelektriska givare används ofta i medicinsk ultraljudsutrustning. Framsteg i utrustning under decennierna har möjliggjort förbättrad övervakning av graviditeter och underlättat minimalt invasiva kirurgiska ingrepp.,
ultraljudsprocedurer – vissa icke-invasiva medicinska procedurer är beroende av användningen av fokuserade ultraljudsvågor för att bryta upp njurstenar eller förstöra malign vävnad. Dessutom har tillkomsten av den harmoniska skalpellen gjort det möjligt för kirurger att samtidigt uppmana och koagulera vävnad under ett kirurgiskt ingrepp utan att behöva cauterization. Detta leder till mindre vävnadsskada, mindre blodförlust och snabbare läkningstider.
piezoelektriska ställdon i konsumentelektronik
vad sägs om konsumentelektronik och teknik som säljs i butiker över hela landet?, Okänd för många konsumenter, piezoelektriska ställdon används i elektronik överallt:
piezoelektriska skrivare-generellt sett finns det två huvudtyper av skrivare som använder piezoelektriska ställdon:
– en dot-matrisskrivare – i en piezoelektrisk dot matrisskrivare, piezoelektriska ställdon i skrivarhuvudet flytta nålliknande stift som ”peta” genom en remsa av bläck tejp (liknande en skrivmaskin) mot en bit papper i olika mönster för att bilda tecken. För de flesta applikationer har användningen av matrisskrivare ersatts av annan teknik., En matrisskrivare är dock den enda skrivartekniken som kan generera dubbla och tredubbla kolkopierade utskrifter.
– bläckstråleskrivare – i en piezoelektrisk bläckstråleskrivare verkar piezoelektriska ställdon i skrivarhuvudet på små membran eller på annat sätt ändrar geometrin hos ett bläckhorn så att bläckdroppar tvingas ut ur en öppning på papper. Detta är en av de dominerande teknikerna på skrivarmarknaden hittills.,
Piezoelectric Speakers — Piezoelectric speakers finns i nästan alla program som behöver effektivt producera ljud från en liten elektronisk gadget. Dessa typer av högtalare är vanligtvis billiga och kräver liten kraft för att producera relativt stora ljudvolymer., Således finns piezoelektriska högtalare ofta i enheter som följande:
– mobiltelefoner
– öronknoppar
– ljudproducerande leksaker
-musikaliska gratulationskort
– musikaliska ballonger
piezoelektriska Buzzers– piezoelektriska buzzers liknar piezoelektriska högtalare, men de är vanligtvis utformade med lägre fidelity för att producera en högre volym över ett smalare frekvensområde., Buzzers används i ett till synes oändligt antal elektroniska enheter, inklusive:
piezoelektriska Luftfuktare — många coola dimma luftfuktare använder en piezoelektrisk givare för att överföra ultraljudsljudenergi i en vattenpool. Ultraljudsvibrationerna orsakar fina vattendroppar att bryta bort och finfördela från poolens yta där de blir intrained i en luftström och går in i önskat utrymme.
elektroniska tandborstar — linjära piezoelektriska ställdon implementeras för att vibrera borsten i vissa elektroniska tandborstar.,
piezoelektriska material för musikaliska tillämpningar
förutom tekniska och industriella tillämpningar, gynnar piezoelektricitet också konsten. Det finns en mängd olika musikaliska program som använder piezoelektricitet:
Instrument Pickups — många akustisk-elektriska stränginstrument använder piezoelektriska pickuper för att konvertera akustiska vibrationer till elektriska signaler. Typiskt placeras en remsa av piezoelektriskt material mellan instrumentkroppen och en struktur som stöder strängarna., Till exempel, en akustisk elgitarr brukar inrymma sin piezoelektriska remsa under bron och inom sadeln. När strängarna vibrerar, är remsan upprörd för att generera en elektrisk signal. Elektriska pickuper på fioler, violer och cellos använder samma koncept, men piezoelektrisk pickup kan vara fastklämd på bron eller integrerad i bron — istället för att vara placerad mellan bron och instrumentkroppen.,
Mikrofoner — vissa mikrofoner (t.ex. kontaktmikrofoner för slagverksinstrument) använder piezoelektriska material för att omvandla ljudvibrationer till en elektrisk utgång. Dessa mikrofoner har i allmänhet höga utgångsimpedanser som måste matchas vid utformningen av sina respektive pre-förstärkare.
använda piezoelektricitet i andra program
har du ett program som inte fanns med på listan? Undrar du om du kan använda piezoelektricitet?, Följande användningar av piezoelektricitet representerar andra alternativ för din bransch:
piezoelektriska Tändare — det här är kanske den mest kända och allestädes närvarande användningen av piezoelektricitet. I en piezoelektrisk Tändare används en knapp eller utlösare för att kuka och släppa en fjäderbelastad hammare, och Hammaren används för att slå en stavformad piezoelektrisk keramik. Den plötsliga mekaniska chocken mot piezoelektriska keramiken ger en snabb ökning av spänningen som är tillräckligt hög för att hoppa ett stort gnistgap och antända bränsle., Piezoelektriska Tändare används ofta för butan Tändare, gasgrillar, gasspisar, blåslampor och improviserade potatiskanoner.
Elproduktion — vissa applikationer kräver skörd av energi från tryckförändringar, vibrationer eller mekaniska impulser. Skörden av energi är möjlig genom att använda piezoelektriska material för att omvandla avböjningar eller förskjutningar till elektrisk energi som antingen kan användas eller lagras för senare användning.,
mikroelektroniska mekaniska system (MEMS) — MEMS-enheter har blivit vanligare eftersom mer integrerade funktioner krävs i mindre paket, såsom mobiltelefoner, surfplattor etc. Fördelen med MEMS-enheter är att gyroskop, accelerometrar och tröghetsmätningsanordningar kan integreras i chipstora paket. För att uppnå en sådan prestation används ofta piezoelektriska ställdon och sensorer.,
tennisracketar — en något ovanlig applikation för piezoelektricitet integrerar piezoelektriska fibrer i halsen på en tennisracket tillsammans med en mikrokontroller i handtaget. När tennisspelaren slår bollen, avböjer racketramen och genererar en elektrisk utgång som ökar, vänds och matas tillbaka in i fibrerna. Detta är ett försök att orsaka destruktiva störningar och dämpa strukturella vibrationer.,
använda piezoelektricitet i försvarsapplikationer
om du är en del av försvarsindustrin, kan du använda piezoelektricitet för en mängd olika applikationer:
Micro Robotics — inom små robotteknik behövs små krafteffektiva mekaniska ställdon och sensorer. Med hjälp av piezoelektriska ställdon är det tekniskt möjligt att bygga något så litet som en robotisk fluga som kan krypa och flyga. Faktum är att ett nytt fält av robotisk teknik som kallas Micro Air Vehicles syftar till att bygga små dronor storleken på insekter eller fåglar som flyger med flaxande vingar., De kontrollerar ytor precis som fåglar och insekter gör. Dessa typer av prestationer i miniatyrisering är delvis möjliga genom att använda piezoelektriska ställdon.
Kursförändrande kulor-nyligen uppfann DARPA en .50-kaliber kula som kan ändra kurs i mitten av flygningen. Så absurt som denna innovation kan låta för vissa läsare använder kulan en optisk sensor som är monterad på näsan i samband med ett styrsystem och rörliga svansfenor för att styra sig mot ett laserbelyst mål., Även om DARPA inte har avslöjat mycket om deras extrema noggrannhet Uppdragsförrättning (EXACTO) kula, innebär det mest troliga sättet att manipulera svansfenorna förmodligen piezoelektriska manöverdon.