Обратный пьезоэффект: Пьезоэлектрический эффект | АО Пьезо

Обратный пьезоэффект — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Обратный пьезоэффект

Cтраница 1

Обратный пьезоэффект характеризуется появлением деформаций в диэлектрике при воздействии электрического поля.
 [2]

Обратный пьезоэффект заключается в том, что при приложении к пластинке пьезоэлектрика постоянного напряжения она деформируется. Под действием переменного напряжения пластинка пьезоэлектрика колеблется с частотой приложенного напряжения.
 [4]

Обратный пьезоэффект состоит в механических деформациях кристаллов при приложении к ним разности потенциалов, причем направление деформации зависит от знака приложенного напряжения.
 [5]

Обратный пьезоэффект состоит в том, что под действием электрического поля происходит изменение геометрических размеров кристалла.
 [7]

Обратный пьезоэффект также определяется по матрице пьезомодулей.
 [8]

Обратный пьезоэффект заключается в том, что в пьезоэлектриках, помещенных в электрическое поле, возникают деформации.
 [9]

Обратный пьезоэффект используют для возбуждения в среде, граничащей с пьезопластинкой, ультразвуковых волн.
 [10]

Поперечный обратный пьезоэффект заключается в деформации пластины в направлении механической оси У.
 [11]

Явление обратного пьезоэффекта используется в радиотехнике для стабилизации и генерирования высокочастотных колебаний, прямого пьезоэффекта — в датчиках давления, звукоснимающих аппаратах и в других устройствах.
 [13]

Механизм обратного пьезоэффекта существен в высокоомных пьезополупроводниках при межзонном поглощении модулированного света, когда нестационарные электрич. Дембера эффекта или встроенных полей р — п-перехо-дов или гетеропереходов.
 [15]

Страницы:  

   1

   2

   3

   4

   5

2.2. Обратный пьезоэлектрический эффект

В
твердых диэлектриках, обладающих
нецентросимметричной структурой,
существует линейный электромеханический
эффект обратный пьезоэлектрическому
эффекту, рассмотренному в предыдущем
разделе. Суть обратного пьезоэлектрического
эффекта заключается в том, что электрическое
напряжение (электрическое поле E),
приложенное к диэлектрику, вызывает
смещение заряженных частиц, в результате
чего кристалл деформируется. Уравнение
обратного пьезоэлектрического эффекта
в механически свободных кристаллах (σ_n= 0) записывается следующим образом:

x_m= d_mjE_j, (2. 6)

где m = 1,2,…,6 и j =
1,2,3 в соответствии с матричными
обозначениями.

Отметим,
что в формулу (2.6) входит тот же пьезомодуль
d, что и в уравнение (3.2) с теми же
компонентами тензора 3-го ранга, что и
тензор пьезомодулей, входящих в основное
уравнение прямого пьезоэлектрического
эффекта.

Если
пьезоэлектрический кристалл, к которому
приложено электрическое поле E_j,
механически зажат (x_m= 0), то обратный
пьезоэффект выражается уравнением

σ_n= — e_njE_j. (2.7)

Механические
напряжения и деформации в обратном
пьезоэффекте могут быть связаны не
только с электрическим полем,

но и с компонентами
вектора поляризации
.
Соответствующие уравнения имеют вид

x_m= g_miP_i (2.8)

и σ_n= — h_niP_i. (2.9)

Таким образом,
с учетом разнообразных граничных
условий, перечисленных в разделе 2.1,
обратный пьезоэффект можно описать
четырьмя уравнениями

x_m= d_mjЕ_j ;

σ_n= — e_njE_j;

x_m=g_miP_i;

σ_n= -h_niP_i; (2. 10)

где i и j = 1,2,3, n и
m = 1,2,…,6.

Для
сегнетоэлектриков, которые в
сегнетоэлектрической фазе всегда
обладают пьезоэлектрическими свойствами,
все записанные выше уравнения прямого
и обратного пьезоэффекта справедливы
только для монодоменного состояния
кристалла. В полидоменных кристаллах
пьезоэффект в соседних доменах имеет
разные знаки и макроскопически может
быть скомпенсирован.

2.3. Взаимосвязь между пьезокоэффициентами в кристалле

Уравнения
пьезоэффекта (2.5) и (2.10), характеризующие
различные связи между механическими
параметрами σ и x и электрическими
параметрами P и E, могут быть для наглядности
представлены в виде диаграммы, которая
называется «пьезоэлектрическим
квадратом» (рис. 4). В вершинах этого
квадрата расположены σ, x, P и E. В левых
вершинах квадрата находятся механическое
напряжение σ и деформация x, а их линейная
связь представлена прямой линией,
характеризующей различное представление
закона Гука

x_m
= s _mn
σ_n ,

σ_n=
c_mnx_m
, (2. 11)

где s – упругая
податливость, c – упругая жесткость.

Правые
вершины квадрата содержат электрическое
поле E и поляризацию P, а соединяющая их
линия характеризует электрическое
взаимодействие

P =
ε₀E, (2.12)

где
– диэлектрическая
восприимчивость.

Горизонтальные
линии диаграммы, а также диагонали
квадрата характеризуют все уравнения
прямого и обратного пьезоэлектрического
эффектов. Возле прямых линий – связей
указаны соответствующие пьезокоэффициенты.
Способ пользования квадратом следующий:
физическая величина, стоящая внутри
кружка в вершине квадрата, равна
расположенному около нее пьезокоэффициенту,
умноженному на величину, изображенную
в другом кружке в противоположном конце
стрелки. Например, верхней линии
пьезоэлектрического квадрата соответствуют
уравнения пьезоэффекта P = dσ и σ = hP, а
нижней линии – уравнения пьезоэффекта
x = dE и E = hx.

Приведенные
выше соотношения позволяют установить
связь между различными пьезоэлектрическими
коэффициентами d_in, e_im, g_in,
и h_jmкристалла через упругие (с_mnили s_mn) и диэлектрические (_ij)
параметры пьезоэлектрика. Например, из
(2.2) следует P_i= d_in_n,
а из (2.11) можно записать_n= с_mnx_m, откуда

P_i
= d_inc_mnx_m.
(2.13)

Сравнивая (3.13) с
(3.5), получаем одно из уравнений связи
между коэффициентами

e_im
= d_inc_mn
. (2.14)

В
этом и других подобных соотношениях
необходимо учитывать при каких
электрических условиях определены с_mn
или s_mn:
для короткозамкнутого (Е = 0) или для
разомкнутого (D=0) пьезоэлектрика,
поскольку с^Е_mn
= с^D_mn
и s^E_mn
= s^D_mn.
В другие соотношения между пьезокоэффициентами
входят компоненты тензора _ij,
которые различаются для механически
свободных (^_ij,
т.е. при 
= 0) и для зажатых кристаллов и текстур
(^х_ij,
т. е. при х = 0).

В
соотношение (2.14) при определении
пьезомодуля d_in
из прямого пьезоэффекта с учетом
электрически свободного кристалла
упругая жесткость должна входить с
индексом Е. Это означает, что её определяют
при Е = 0. Следовательно, приведенное
соотношение должно быть записано в виде

.
(2.15)

При
определении пьезокоэффициента e_im
из прямого пьезоэффекта пьезоэлектрик
также электрически свободен (Е = 0), так
что в другом уравнении связи
пьезокоэффициентов упругая податливость
также должна записываться с индексом
Е, т.е.

.
(2.16)

Выведем
еще одно соотношение связи между
пьезокоэффициентами. Согласно (2.10) для
обратного пьезоэффекта имеем х_m
= g_mi
P_i,
но так как согласно (2.2) P_i
= ₀_ijE_j
, то можно записать

.
(2.17)

Сравнивая
(2.17) с (3.10) и учитывая условия измерения,
получаем

.
(2.18)

Аналогичным
образом можно получить и другие
соотношения между пьезоэлектрическими
коэффициентами с учетом условий
определения диэлектрических и упругих
параметров. Приведем соотношения для
всех пьезокоэффициентов, в том числе
(2.15), (2.16) и (2.18)

; (2.19)

; (2.20)

(2.21)

. (2.22)

Отметим,
что механические и электрические
параметры кристалла могут быть измерены
при адиабатических и изотермических
условиях. Первый случай реализуется в
экспериментах при высокочастотных
измерениях, а второй – при статических
или квазистатических измерениях. Поэтому
следует различать c^s_mn
и c^T_mn,
s^s_mn
и s^T_mn,
^s_ij
и ^T_ij
соответственно. Эти различия будут
касаться и пьезомодулей d^s_in
и d^T_in
, а также других пьезоэлектрических
коэффициентов. Эти различия в зависимости
от условий измерения в адиабатических
и изотермических режимах невелики для
линейных диэлектриков. Например, величины
s^s_mn
и s^T_mn
отличаются на ~ 1 %, причем s^s_mn
< s^T_mn
, а различие в пьезомодулях d^s_in
и d^T_in
составляет ~ 0,1 %, а в величинах ^s_ij
и ^T_ij
и того меньше. Однако для сегнетоэлектриков,
особенно вблизи температуры фазового
перехода, разницей в ^s_ij
и ^T_ij
пренебречь нельзя. Существенно при этом
могут отличаться значения всех
пьезомодулей, измеренных при постоянной
энтропии или постоянной температуре.

Страница не найдена | Кафедра физики твердого тела ПетрГУ

http://secretary. rid.go.th/
http://rtlabs.nitk.ac.in/
http://www.ei.ksue.edu.ua/
http://www.unajma.edu.pe/
http://www.drbrambedkarcollege.ac.in/
https://esperanza.eastern.edu/
https://www.hsri.or.th/
https://www.agrft.uni-lj.si/
http://www4.fe.usp.br/
https://www.cnba.uba.ar/
https://www.osgoode.yorku.ca

bak hocam 2yildir kullandigim siteye gelip kod ekliyorsun not yazip kodlarini siliyorum (insan olan utanir kusura bakma hocam diyip giderdi) kendine dusmanmi ariyorsun? belliki sen disli birine denk gelmemissin hayatin boyunca ama ben cok ugrastim cokta denk geldim bu sekilde tanimadigin birini tehtit etmen ya deli oldugunu gosterir yada tecrubesizligini sen bana isimi ogretecegine once baskalarina ait olan sitelere girmemeyi ogren ondan sonra bana isimi ogretirsin ben cok takintili bir adamim beni kotu bir insan olmaya zorlama rica ediyorum bak lutfen birbirimizi uzmeyelim emin ol bu site felan umrumdami saniyorsun? olay tamamen prensip meselesi sen benim yatakodama gelip beraber yatacagiz diyorsun oyle bir olay yok isine bak oldu 10 kisi daha cagir 500 kod eklesin herkes yorumbacklink isimi yapiyorsun? sacmalamissin daha fazla beni muatap etme kendinle yaptigin terbiyesizligin farkina var illa darbe yiyincemi aklin basina gelecek anlamiyorum ki o kadar yaziyorum ki birbirimize kotuluk yapmayalim kalp kirmayalim birbirimizi uzmeyelim sana daha once boyle notlar yazan bir linkci gordun mu Allah askina ben bazen goruyorum ana baci duymadigim kufurler yaziyor adamlar birbirine sen benim gibi bir insani uzuyorsun ama lutfen. . 8yildir ben kimseyle ortak site kullanmadim babam gelse onunlada kullanmam en hassas oldugum konudur bu bir daha kod eklememeni siddetle tavsiye ediyorum yoksa farkli seyler olur ve kendine nur topu gibi manyak bir dusman edinirsin bos yere bu polemigi uzatiyorsun haksiz olan sensin kod disinde birsey yazmak istersen yazabilirsin ama rica ediyorum isi inada bindirme senden ERDEMLİ DÜRÜST VE OLGUN bir davranis bekliyorum beni anladigini umuyorum ve tekrar inşAllah kod eklemeyecegini umuyorum olumlu olumsuz notunu buraya yazablirsin bende bir daha bu siteyi kullanmiyacagim sanada kullandirmam tabiki is site isi degil prensip isi.. ihtiyacin olabilir site sayin azdir bunlar dogal seyler ben gerekirse kendim eklerim senin kodlarini oyle bir durumda kendi kodlarimida silerim sadece senin olur ama o son not garip bir insan oldugunu dusunduruyor bana ve inan ugrasacak vaktim de kafamda yok kendine sardirma hepimiz ekmek davasindayiz senle isim yok benden sana kotulukte gelmez ama beni zorlama lutfen. . zaten kafamda bir dunya sorun var hayat acimasiz hayat zor benim derdim bana yetiyor butun ictenligim ve iyi niyetim ile sana bu notu yaziyorum bu kadar sozden sonra kod ekleyecegini sanmiyorum birde seninle ugrasmayayim guzel kardesim arkadasim lutfen rica ediyorum LUTFEN barış her zaman erdemli insanlarin isidir lutfen ayni olgunluk ile senden olumlu donusunu bekliyorum eger yazdiklarimda kalp kirici yada incitici birsey varsa lutfen kusura bakma 1-2defa kontrol ettim ama belki gozumden kacmis olabilir hakkini helal et ve en iyisi ikimiz icinde helallesip bu isi noktalamaktir inan kotu biri degilim selam ve sevgiyle..

Прямой и обратный пьезоэффект, его использование в науке и технике (Реферат)

Прямой и обратный
пьезоэффект, его использование в науке
и технике

1. Пьезоэлектрический эффект.

В некоторых кристаллах поляризация
может возникнуть и без внешнего поля,
если кристалл подвергается механическим
деформациям. Это явление, открытое в
1880 г. Пьером и Жаком Кюри, получило
название пьезоэлектрического эффекта.

Чтобы обнаружить пьезоэлектрические
заряды, на грани кристаллической
пластинки накладывают металлические
обкладки. При разомкнутых обкладках
между ними при деформации появляется
разность потенциалов. При замкнутых
обкладках на них образуются индуцированные
заряды, равные по величине поляризационным
зарядам, но противоположные им по знаку,
и в цепи, соединяющей обкладки, в процессе
деформации возникает ток. Рассмотрим
основные особенности пьезоэлектрического
эффекта на примере кварца. Кристаллы
кварца SiO2 существуют в различных
кристаллографических модификациях.
Интересующие нас кристаллы (a-кварц)
принадлежат к так называемой тригональной
кристаллографической системе и обычно
имеют форму, показанную на рис.1. Они
напоминают шестигранную призму,
ограниченную двумя пирамидами, однако
имеют еще ряд дополнительных граней.
Такие кристаллы характеризуются четырьмя
кристаллическими осями, определяющими
важные направления внутри кристалла.

Одна из этих осей — Z соединяет вершины
пирамид. Три другие X1, Х2, Х3 перпендикулярны
к оси Z и соединяют противолежащие ребра
шестигранной призмы. Направление,
определяемое осью Z, пьезоэлектрически
неактивно: при сжатии или растяжении
по этому направлению никакой поляризации
не происходит. Напротив, при сжатии или
растяжении в любом направлении,
перпендикулярном к оси Z, возникает
электрическая поляризация. Ось Z
называется оптической осью кристалла,
а оси X1, Х2, Х3 — электрическими или
пьезоэлектрическими осями.

Рассмотрим пластинку кварца, вырезанную
перпендикулярно к одной из пьезоэлектрических
осей X. Ось, перпендикулярную к Z и X,
обозначим через Y (рис. 2). Тогда оказывается,
что при растяжении пластинки вдоль оси
Х на перпендикулярных к ней гранях АВСD
и ЕFGН появляются разноименные
поляризационные заряды. Такой
пьезоэлектрический эффект называется
продольным. Если изменить знак деформации,
т. е. перейти от растяжения к сжатию, то
и знаки поляризационных зарядов изменятся
на обратные.

Рис. 1. Кристалл кварца.

Возникновение поляризационных зарядов
определенных знаков при данном типе
деформации (растяжение или соответственно
сжатие) показывает, что концы осей Х
неравноправны, и осям Х можно приписать
определенные направления (что отмечено
на рис. 1 стрелками). Это значит, что при
данной деформации знак заряда зависит
от того, направлена ли ось Х по внешней
нормали к грани или по внутренней. Такие
оси с неравноправными концами получили
название полярных осей. В отличие от
полярных осей Х1, Х2, Х3, концы оси Z
совершенно равноправны и она является
неполярной осью.

Рис. 2. Кварцевая пластинка, вырезанная
перпендикулярно к пьезоэлектрической
оси.

Неравноправность концов полярной оси
проявляется, конечно, не только в
пьезоэлектрическом эффекте, но и в
других явлениях. Так, например, скорость
химического травления граней, расположенных
у разных концов полярной оси, оказывается
различной и получающиеся при этом фигуры
травления отличаются друг от друга.

Наряду с продольным пьезоэлектрическим
эффектом существует также поперечный
пьезоэлектрический эффект. Он заключается
в том, что при сжатии или растяжении
вдоль оси Y возникает поляризация вдоль
оси Х и на тех же гранях АВСD и ЕFGН
появляются поляризационные заряды. При
этом оказывается, что знаки зарядов на
каждой грани при сжатии вдоль Y (в
поперечном эффекте) такие же, как при
растяжении вдоль Х (в продольном эффекте).

Пьезоэлектрический эффект объясняется
следующим образом В ионных кристаллах
вследствие несовпадения центров
положительных и отрицательных ионов
имеется электрический момент и в
отсутствие внешнего электрического
поля. Однако эта поляризация обычно не
проявляется, так как она компенсируется
зарядами на поверхности. При деформации
кристалла положительные и отрицательные
ионы решетки смещаются друг относительно
друга, и поэтому, вообще говоря, изменяется
электрический момент кристалла. Это
изменение электрического момента и
проявляется в пьезоэлектрическом
эффекте.

Рис. 3 качественно поясняет возникновение
пьезоэлектрического эффекта в кварце.
Здесь схематически показаны проекции
положительных ионов Si (заштрихованные
кружки) и отрицательных ионов О (светлые
кружки) в плоскости, перпендикулярной
к оптической оси Z. Этот рисунок не
соответствует фактической конфигурации
ионов в элементарной ячейке кварца, в
которой ионы не лежат в одной плоскости,
а их число больше показанного. Он, однако,
правильно передает симметрию взаимного
расположения ионов, что уже достаточно
для качественного объяснения.

Рис. 3, а) соответствует недеформированному
кристаллу. На грани A, перпендикулярной
к оси X1, имеются выступающие положительные
заряды, а на параллельной ей грани В —
выступающие отрицательные заряды. При
сжатии вдоль оси X1 (рис. 3, б) элементарная
ячейка деформируется. При этом
положительный ион 1 и отрицательный ион
2 «вдавливаются» внутрь ячейки, отчего
выступающие заряды (положительный на
плоскости А и отрицательный на плоскости
В) уменьшаются, что эквивалентно появлению
отрицательного заряда на плоскости А
и положительного заряда на плоскости
В. При растяжении вдоль оси X1 имеет место
обратное (рис. 3, в): ионы 1 и 2 «выталкиваются»
из ячейки. Поэтому на грани А возникает
дополнительный положительный заряд, а
на грани В — отрицательный заряд.

а) б)

в)

Рис. 3. К объяснению пьезоэлектрического
эффекта.

Расчеты в теории твердого тела в согласии
с опытом показывают, что пьезоэлектрический
эффект может существовать только в
таких кристаллах, в которых элементарная
ячейка не имеет центра симметрии. Так,
например, элементарная ячейка кристаллов
CsCl (рис. 4) имеет центр симметрии и эти
кристаллы не обнаруживают пьезоэлектрических
свойств. Расположение же ионов в ячейке
кварца таково, что в нем центр симметрии
отсутствует, и поэтому в нем возможен
пьезоэлектрический эффект.

Рис. 4. Элементарная ячейка кристалла
хлористого цезия CsCl.

Величина вектора поляризации Р (и
пропорциональная ей поверхностная
плотность пьезоэлектрических зарядов
о’) в определенном интервале изменений
пропорциональна величине механических
деформаций. Обозначим через и деформацию
одностороннего растяжения вдоль оси
X:

u=d/d, (1)

где d — толщина пластинки, а d
— ее изменение при деформации. Тогда,
например, для продольного эффекта имеем:

P=Px=u (2)

Величина  называется
пьезоэлектрическим модулем. Знак 
может быть как положительным, так и
отрицательным. Так как и безразмерная
величина, то 
измеряется в тех же единицах, что и Р,
т.е. в Кл/м2. Величина поверхностной
плотности пьезоэлектрических зарядов
на гранях, перпендикулярных к оси X,
равна ’=Рх

Вследствие возникновения пьезоэлектрической
поляризации при деформации изменяется
и электрическое смещение D внутри
кристалла. В этом случае в общем
определении смещения под Р нужно понимать
сумму Рe+Pu, где Pe oбусловлено электрическим
полем, а Рu — деформацией. В общем случае
направления Е, Pe и Рu не совпадают и
выражение для D получается сложным.
Однако для некоторых направлений,
совпадающих с осями высокой симметрии,
направления указанных векторов
оказываются одинаковыми. Тогда для
величины смещения можно написать:

D=0E+u,
(3)

где Е — напряженность электрического
поля внутри кристалла, а 
— диэлектрическая проницаемость при
постоянной деформации. Соотношение
справедливо, например, при деформации
одностороннего растяжения (сжатия)
вдоль одной из электрических осей X. Оно
является одним из двух основных
соотношений в теории пьезоэлектричества
(второе соотношение приведено).

Пьезоэлектрический эффект возникает
не только при деформации одностороннего
растяжения, но и при деформациях сдвига.

Пьезоэлектрические свойства наблюдаются,
кроме кварца, у большого числа других
кристаллов. Гораздо сильнее, чем у
кварца, они выражены у сегнетовой соли.
Сильными пьезоэлектриками являются
кристаллы соединений элементов 2-й и
6-й групп периодической системы (СdS,
ZnS), а также многих других химических
соединений.

Приводы систем точного позиционирования на основе обратного пьезоэффекта Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 658.527.011

А.А. Иванов

ПРИВОДЫ СИСТЕМ ТОЧНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ОБРАТНОГО ПЬЕЗОЭФФЕКТА

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Цель работы: Использование пьезоэлектриков в качестве преобразователей-двигателей, имеющих электрический вход и механический выход.

Метод проведения работы: Приведены результаты экспериментальных исследований пьезопреобразователей с продольной поляризацией, используемых в конструктивных схемах пьезодвигателей с косыми соударениями и двумерными колебаниями при различных комбинациях продольных, поперечных, изгибных и др. колебаний. Результаты и область их применения: Установлено, что при условии равенства частоты собственных продольных колебаний и частоты второй формы изгибных колебаний можно осуществлять независимое возбуждение этих колебаний, которое обеспечивает выбор оптимальных амплитудных и фазовых соотношений между отдельными компонентами колебаний в зоне контакта.

Выводы: Представлены различные принципиальные схемы пьезодвигателей и даны рекомендации по их применению в системах точного позиционирования, в том числе в нанометрическом диапазоне, исключающих громоздкую классическую схему: двигатель — редуктор — тяговая пара «винт-гайка».

Ключевые слова: пьезодвигатель, пьезокерамический преобразователь, обратный пьезоэффект.

Пьезоэлектрики являются обратимыми электромеханическими преобразователями, то есть они способны преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот. Преобразователи, основанные на использовании прямого пьезоэффекта, называют преобразователями-генераторами, которые имеют механический вход и электрический выход. Преобразователи, основанные на использовании обратного пьезоэффекта, называют преобразователями-двигателями, которые имеют электрический вход и механический выход. Прямой пьезоэффект используется, например, в микрофонах, звукоснимателях, датчиках механических сил, перемещений и ускорений, бытовых зажигалках для газа и т.д. Обратный пьезоэффект послужил основой для создания телефонов, громкоговорителей, ультразвуковых излучателей, реле, двигателей и т.п.

Рассмотрим основные типы пьезоэлектрических двигателей, которые применяются в приводах систем точного позиционирования (СТП).

Пьезодвигатели с косыми соударениями

Схема перемещения содержит ПД с продольной поляризацией, расположенный под углом а к контактной плоскости подвижного звена ПЗ, смонтированного в шариковых направляющих (рис. 1).

Непрерывное движение ПЗ происходит за счет серии косых соударений наконечника 1 ПД с частотой колебаний напряжения, подводимого к пьезопреобразователю. Пружина 2 позволяет регулировать усилие поджима контактного наконечника 1 к плоскости ПЗ. Конструкция кронштейна 3 обеспечивает возможность изменения угла наклона а ПД. Пьезодви-гатель может быть выполнен в виде сплошного бруска из пьезокерамики или в виде блока (пакета) пьезокерамических колец.

Предельные (разрушающие) механические напряжения в пьезокерамике на сжатие в среднем в десять раз превосходят напряжения на растяжение. Поэтому из соображений прочности необходимо выполнить предварительное нагружение пьезоэлемента при помощи упругой нагрузки (пружины, мембраны, стяжки и т.д.). Усилие предварительного нагруже-ния обеспечивает гарантированное рабочее сжатие пьезоэлемента, при этом перемещение свободного конца пьезодвигателя естественно уменьшается.

© А.А. Иванов, 2013.

пз

Рис. 1. Схема перемещения подвижного звена ПЗ с помощью пьезодвигателя ПД с продольной поляризацией методом косых соударений:

1 — контактный наконечник; 2 — пружина для поджима ПД к ПЗ; 3 — кронштейн для крепления ПД

Пьезоэлементы в блоке ПД электрически соединены параллельно, что позволяет увеличить амплитуду продольных колебаний пьезодвигателя.

Пьезодвигатели с косыми соударениями и двумерными колебаниями

Эти двигатели базируются на суммировании тангенциальных составляющих ударного импульса. Двумерное движение пьезокерамического преобразователя определяет и нормальную и тангенциальную составляющие скорости удара. В обобщенном случае двумерное движение колеблющегося звена может быть представлено любой комбинацией продольных, поперечных, изгибных, крутильных и других колебаний. Наиболее распространены схемы с продольно-изгибными, продольно-крутильными и радиально-крутильными колебаниями.

Рассмотрим случай, когда вектор электрического поля Е перпендикулярен плоскости изгибных колебаний (рис. 2, а).

Продольные и изгибные колебания возбуждаются подачей напряжения резонансной частоты на различные электроды. Если соблюдать условие равенства собственной частоты основной формы продольных колебаний и частоты второй формы изгибных колебаний, то можно осуществить независимое возбуждение этих колебаний и тем самым обеспечить выбор оптимальных амплитудных и фазовых соотношений между отдельными компонентами колебаний в зоне контакта.

На рис. 2, а электрод Эпр служит для возбуждения продольных колебаний, а электроды Эиз и Эиз (при сдвиге фазы на п) — изгибных колебаний. Оптимальные законы двухмерных колебаний можно обеспечить и путем возбуждения связанных колебаний обоих типов, что упрощает схему питания преобразователя. При контакте ПКП с подвижным звеном ПЗ (например с кареткой КС) последнее будет перемещаться с шагом примерно 0,1 мкм, равном амплитуде колебаний ПКП (рис.

V 2 2 Ы э у

где ан — начальное ускорение ПЗ; g — ускорение свободного падения;

/э — эффективный коэффициент трения при затухании колебаний; т — продолжительность импульса питания.

Рис. 2. Схемы пьезокерамического преобразователя с двумерными колебаниями (а) и непрерывного перемещения подвижного звена ПЗ методом косых соударений (б):

1 — ПКП; 2 — ПЗ; 3 — зоны контакта ПКП с ПЗ; 4 — электроды; ГЭК — генератор электрических колебаний; БУ — блок управления; п(Х) — переменное напряжение; Аиз, А — амплитуды изгибных

и продольных колебаний соответственно; Э , Эш — электроды для возбуждения продольных

и изгибных колебаний соответственно

Суммарная тангенциальная составляющая ударного импульса, согласно гипотезе вязкого трения, не зависит от нормальной составляющей и определяется коэффициентом мгновенного трения при ударе /у, зависящим от свойств и состояния контактирующих поверхностей.

Снижение неравномерности движения подвижного звена осуществляется управлением коэффициентом / в зоне контакта путем наложения на ПКП более высоких частот, чем

основная резонансная частота (рабочая). Кривая зависимости / от напряжения и, подводимого к ПКП, показывает, что диапазон изменения /у достаточно широк (рис. 3, а).

Эффективность действия колебаний в зоне контакта оценивается коэффициентом кэ (0 < кэ < 1). Для точечных и линейных контактов кэ < 1, а для поверхностных контактов кэ «1. Зависимость кэ от амплитуды А тангенциальных и нормальных колебаний показана на рис. 3, б.

Рис. 3. Зависимости коэффициента мгновенного трения при ударе /у от подводимого напряжения и (а) и коэффициента эффективности колебаний кэ в зоне контакта от амплитуды

А тангенциальных и нормальных колебаний (б)

Место крепления ПД определяется наличием хотя бы одного узла в эпюрах колебаний обоих типов. Изменение знака скорости (реверс) подвижного звена производится изменением фазы одной из компонент колебаний с ф до ф + к .

Шаговое перемещение ПЗ осуществляется за счет возбуждения в ПКП пакетов импульсов ВЧ-колебаний.

Схема ПД с продольно-изгибными колебаниями используется и для организации вращательного движения подвижного звена (ротора).

Волновые ПД основаны на фрикционном взаимодействии колебаний типа бегущих волн ПД и ротора, которые обычно возбуждаются в регулярных структурах (по типу волновых фрикционных передач). В кольцевом ПД (волноводе) возбуждаются изгибные колебания типа бегущей волны амплитудой Ав с помощью двух напряжений одинаковой частоты, смещенных по фазе на угол ф = к/ 2.

Рис. 4. Схема ПД с асимметричными циклами колебаний:

ЗК — зона контакта; ПЗ — подвижное звено; ПД — пьезодвигатель; ПКП — пьезокерамический преобразователь; Ар — амплитуда продольных колебаний; Ах^, Ах2 — эпюры амплитуд продольных колебаний; и, и — питающие напряжения, возбуждающие продольные колебания кратных резонансных частот; at — фазовый угол; ф — угол сдвига по фазе

ПД с асимметричными циклами колебаний основаны на асимметрии инерционных воздействий сил сухого трения или нелинейной скорости деформации упругого тела (ПЭ). В ПД возбуждают продольные или крутильные колебания с асимметрией ускорения в пределах одного цикла, причем в зоне контакта, как правило, возникает проскальзывание.

В этой схеме имеет место нелинейная зависимость сил сухого трения от скорости перемещения подвижного звена или инерционных воздействий. Реализация асимметричных колебаний осуществляется путем суперпозиции продольных колебаний кратных резонансных частот со сдвигом фаз между ними на угол ф (рис. 4).

Эти ПД уступают рассмотренным типам пьезодвигателей по КПД и скорости, но позволяют достигать меньшей дискреты шагового перемещения (2 нм в линейном приводе).

ПД с управляемой связью в зоне контакта

В качестве связи между ПД и подвижным звеном используют материалы с управляемым коэффициентом трения, например магнито- и электровязкие жидкости, и материалы, меняющие свою вязкость в УЗ поле.

ПД с управляемой связью обычно применяют в качестве нагрузочных устройств при исследовании динамических свойств системы.

Шаговый ПД, работающий по принципу «червяка»

Рассмотрим шаговый ПД, состоящий из трех пьезокерамических колец 1- 3, насаженных на стержень и имеющих разное направление поляризации (рис. 5).

Рис. 5. Схема действия шагового ПД по принципу «червяка»:

1, 3 — кольца, поляризованные поперечно; 2 — кольцо, поляризованное продольно;

— шаг ПД

Все кольца соединены в единый узел. В начальный момент времени (поз. 1) подается напряжение на первое кольцо, поляризованное поперечно. Оно деформируется радиально, сжимая стержень (поз. 2). Затем подается напряжение на второе кольцо с продольной поляризацией, которое под действием электрического поля увеличивается в длину, сдвигая третье кольцо вправо (поз. 3). После этого подается напряжение на третье кольцо, которое, подобно первому, обжимает стержень (поз. 4).

Следующим шагом с первого кольца снимается напряжение, оно возвращается в исходное состояние (поз. 5), а на втором кольце меняют полярность электрического поля, благодаря чему оно продольно сжимается, увлекая за собой первое кольцо вправо (поз. 6). После того, когда второе кольцо максимально уменьшит свою длину, происходит зажим стержня первым кольцом (поз. 7) и снимается напряжение с третьего кольца, которое возвращается в исходное состояние (поз. 8). Затем процесс повторяется.

ПД с ударным механизмом

Принцип действия: в ПД формируется сила удара Fy , которая превосходит силу трения покоя F и силу инерции F подвижного звена:

F > F + F

y т и

Выводы

Представлены принципиальные схемы пьезодвигателей, работающих на основе обратного пьезоэффекта с высокочастотными пьезокерамическими преобразователями. Приведены основные технические характеристики пьезодвигателей и даны рекомендации по их применению в системах точного позиционирования, в том числе в нанометрическом диапазоне, исключающих громоздкую классическую схему «двигатель — редуктор — тяговая пара «винт-гайка»».

Библиографический список

1. Афонин, С.М. Структурно-параметрическая модель составного пьезо-двигателя нанопереме-щений // Вестник машиностроения. 2007. № 1. С. 3-13.

2. Иванов, А.А. Проектирование автоматизированных систем манипулирования объектами обработки и сборки / А.А. Иванов. — М.: ФОРУМ, 2011. — 224 с.

Дата поступления в редакцию 19.04.2013

AA. Ivanov

SYSTEM DRIVES OF EXACT POSITIONING ON THE BASIS OF THE

REVERSE PIEZO EFFECT

Nizhny Novgorod state technical university n.a. R.Y. Alexeev

Purpose: Employment of piezoelectrics as converters that is engines with electric input and mechanical output is considered.

Methodology: A theoretical framework is proposed based on the results of the experimental investigations of piezoconverters with longitudinal polarization. Subsequently constructive schemes of piezoengines with oblique co-strokes and oscillations in both directions are quoted. For example different combinations of longitudinal, lateral and curved oscillations are used.

Findings: It is possible to accomplish independent excitement of these oscillations if frequencies of proper longitudinal oscillations are equal to the second form of curved oscillations.

Consequently the choice of optimal amplitude and phase correlations between separate components of oscillations in the contact zone.

Research limitations/implications: The study tested different principal schemes of piezoengines. As a result, some recommendations are given how to use these schemes in exact positioning systems including a nanometric range. Moreover the bulky classic scheme is eliminated in this case.

Key words: piezo engine, piezoceramic converter, reverse piezo effect.

Лекция 6. Обратный пьезоэффект — зависимость деформации пьезоэлектриков от электрического поля. Е — напряженность электрического поля, [В/м]

Лекция 13. Пьезоэлектрики

Лекция 13. Пьезоэлектрики Пьезоэлектрический эффект и электрострикция. Пьезоэлектриками называются вещества, в которых при приложении механических напряжений возникает электрическая поляризация даже в

Подробнее

Physics Department, Oakland University, Rochester, Michigan 48309, USA

Письма в ЖТФ, 2004, том 30, вып. 1 12 января 05 Гигантский магнитоэлектрический эффект в композиционных материалах в области электромеханического резонанса Д.А. Филиппов, М.И. Бичурин, В.М. Петров, В.М.

Подробнее

ОАО «НИИ «Элпа» Каталог продукции

Основные направления деятельности ОАО «НИИ «Элпа» Каталог продукции ПРОФИЛЬ КОМПАНИИ ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И ПРОИЗВОДСТВО: пьезокерамических материалов; пьезокерамических элементов; устройств на основе

Подробнее

Изучение цилиндрических преобразователей

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» В.К. Доля Изучение цилиндрических преобразователей (учебно-методическое пособие)

Подробнее

Кафедра теоретической механики

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Институт прикладной математики и механики Кафедра теоретической механики Диссертация допущена к защите Заведующий кафедрой А. М. Кривцов

Подробнее

КОЛЛОКВИУМ 1 (механика и СТО)

КОЛЛОКВИУМ 1 (механика и СТО) Основные вопросы 1. Система отсчета. Радиус вектор. Траектория. Путь. 2. Вектор смещения. Вектор линейной скорости. 3. Вектор ускорения. Тангенциальное и нормальное ускорение.

Подробнее

Вариант q 1 q 2 q 3 1 q -q q 2 -q q -q 3 q -q 2q

Задание. Тема Электростатическое поле в вакууме. Задача (Электростатическое поле системы точечных зарядов) Вариант-. В вершинах равностороннего треугольника со стороной а находятся точечные заряды q q

Подробнее

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

КЫРГЫЗСКО-РОССИЙСКИЙ СЛАВЯНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЕСТЕСТВЕННО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА «ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА» П.И. ПАХОМОВ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ К ЛАБОРАТОРНЫМ

Подробнее

b + a + l + (Рис. 1) (8.2)

Лекция 8. Теория упругости 8.. Закон Гука и принцип суперпозиции 8.. Однородная деформация. Всестороннее сжатие 8.3.Однородная деформация. Сдвиг 8.4. Деформация зажатого бруска 8.5. Продольный звук 8.6.

Подробнее

Л-1: ; Л-2: с

Лекция 8 Волновое движение Распространение колебаний в однородной упругой среде Продольные и поперечные волны Уравнение плоской гармонической бегущей волны смещение, скорость и относительная деформация

Подробнее

2.1 Краткая теория вопроса

Стр. 1 из 6 29.11.2012 19:49 Главная Введение Учебное пособие пособие к практ.занятиям 1. Методические указания к выполнению лабораторных работ 2. Лабораторная работа 1. Исследование прямолинейно-параллельного

Подробнее

03;08;12.

26 мая 03;08;12 Волновое распыление жидкости струной В.А. Александров Институт прикладной механики УРО РАН, Ижевск E-mail: [email protected] Поступило в Редакцию 16 декабря 2002 г. Обнаружено волновое

Подробнее

ЭЛЕКТРОСТАТИКА 1. Два рода электрических зарядов, их свойства. Способы зарядки тел. Наименьший неделимый электрический заряд. Единица электрического заряда. Закон сохранения электрических зарядов. Электростатика.

Подробнее

Лекция Февраль 2014

Лекция 1. 10 Февраль 2014 Закон Кулона. Электрическое поле точечных зарядов. Принцип суперпозиции. Пример: расчет электрического поля двух одноименных одинаковых зарядов. Потенциал поля точечных зарядов.

Подробнее

ЛЕКЦИЯ 3 ПОЛЕ В ВЕЩЕСТВЕ. ДИЭЛЕКТРИКИ

ЛЕКЦИЯ 3 ПОЛЕ В ВЕЩЕСТВЕ. ДИЭЛЕКТРИКИ На прошлой лекции был рассмотрен метод изображений. Было показано, что взаимодействие плоской металлической поверхности и точечного заряда можно свести к взаимодействию

Подробнее

3. ВНУТРЕННИЕ СИЛЫ. НАПРЯЖЕНИЯ

3. ВНУТРЕННИЕ СИЛЫ. НАПРЯЖЕНИЯ 3.. Напряжения Уровень оценки прочности по нагрузке отличают простота и доступность. Расчеты при этом чаще всего минимальны — требуется определить только саму нагрузку. Для

Подробнее

Лекции по инженерной графике

Кафедра инженерной и компьютерной графики Лекции по инженерной графике Требования и рекомендации по простановке размеров на чертежах Доцент Решетов Алексей Львович Челябинск 2017 Простановка размеров на

Подробнее

Модуль3. Электростатика. Примеч.

Модуль3. Электростатика. Примеч. 3.1 Определение закона Кулона и его применение в скалярной и векторной форме для взаимодействий в вакууме. 3.1.01 Определяет величину и направление силы взаимодействия

Подробнее

Кузьмичев Сергей Дмитриевич

Кузьмичев Сергей Дмитриевич 2 СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИИ 10 Элементы теории упругости и гидродинамики. 1. Деформации. Закон Гука. 2. Модуль Юнга. Коэффициент Пуассона. Модули всестороннего сжатия и одностороннего

Подробнее

7.8. Упругие силы. Закон Гука

78 Упругие силы Закон Гука Все твердые тела в результате внешнего механического воздействия в той или иной мере изменяют свою форму, так как под действием внешних сил в этих телах изменяется расположение

Подробнее

Тема 1. Электростатика

Домашнее задание по курсу общей физики для студентов 3-го курса. Варианты 1-9 — Задача 1.1 Варианты 10-18 — Задача 1.2 Варианты 19-27 — Задача 1.3 Тема 1. Электростатика По результатам проведённых вычислений

Подробнее

Тема 2 Основные понятия. Лекция 2

Тема 2 Основные понятия. Лекция 2 2.1 Сопротивление материалов как научная дисциплина. 2.2 Схематизация элементов конструкций и внешних нагрузок. 2.3 Допущения о свойствах материала элементов конструкций.

Подробнее

05;12. P i = d ijk σ jk, (1) d ijk = a im a jn a kl d mnl, (2)

05;12 Пьезоэлектрические свойства ориентированных Z -срезов сегнетокерамики типа ЦТС М.Г. Минчина, В.П. Дудкевич Ростовский государственный университет, 344091 Ростов-на-Дону, Россия (Поступило в Редакцию

Подробнее

Физика ультразвука, пьезоэлементы и выбор ультразвуковых датчиков

Физика ультразвука, пьезоэлементы (кристаллы) и правильный выбор ультразвуковых датчиков

14 февраля 2017

Уважаемые коллеги и друзья, мы начнем серию кратких статей которые описывают принципы ультразвуковой диагностики и применяемые в ней технологии. Мы намеренно будем подавать данные в кратком виде, не вдаваясь глубоко в принципы физических и математических методов построения изображений и работы программных и аналоговых фильтров. Цель написания данной серии статей – в форме брифинга представить посетителю сайта информацию о том, что и почему важно при выборе ультразвукового диагностического аппарата и принадлежностей к нему, а также какие функции и надстройки полезны, какова их практика применения и нужны ли они персонально Вам.

Сегодня статья посвящена физическим принципам диагностического ультразвука. Мы хотим в краткой форме осветить лишь то, что важно пользователю и покупателю ультразвуковой диагностической системы. Если вы хотите получить углубленные знания, мы рекомендуем вам обратится к замечательной книге, написанной профессором, доктором медицинских наук, замечательным авторитетным преподавателем кафедры биомедицинских систем и технологий Львом Васильевичем Осиповым – «Ультразвуковые диагностические приборы».

Мы намеренно не будем касаться очевидных вещей: применение того или иного датчика в зависимости от формы апертуры или частоты генерируемого ультразвука. Мы заглянем немного глубже и определим что же еще крайне важно знать при выборе ультразвукового датчика.

Физика ультразвука

По своей сути звук является механической волной с продольным распространением. Сам же ультразвук, который применяется в диагностической медицине, не что иное как механическая волна (звук) определенной частоты (от 1 МГц до 25 МГц).

Для того, чтобы ультразвук распространялся необходим субстрат (вещество), при этом колебания одной частицы вещества будут передавать другой и, таким образом, будет происходить передача энергии и распространение ультразвука.

Для того, чтобы получить ультразвук необходимой характеристики, используют ультразвуковые датчики в строении апертуры которых находятся пьезокристаллы (пьезоэлементы) – именно с помощью них и происходит генерация ультразвука, который потом, из-за плотного прилегания апертуры датчика к коже человека (благодаря использованию ультразвукового геля) передается от частицы к частице в теле человека. Сами ультразвуковые колебания генерируются с помощью пьезоэлектрического эффекта, который возникает при подаче электрического импульса на пьезокристалл в ультразвуковом датчике.

Сам пьезоэлектрический эффект разделяют на прямой и обратный. Именно пьезоэффект делает возможным использование отраженного эхосигнала ультразвуковым прибором. Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в возникновении электрического потенциала на гранях пьезокристалла при их смещении в следствии воздействия механических внешних сил (пьезокристалл сжимается и расширяется).

Получение обратного пьезоэлектрического эффекта связано с воздействием на пьезокристалл с помощью электрического напряжения (в следствии подобного воздействия также происходит смещение граней пьезокристалла). На пьезокристалл подается переменное напряжение высокой частоты, пьезокристалл начинает с высокой частотой сжиматься и расширяться, вокруг него возникает высокочастотное изменение давления, что и приводит к возникновению направленных колебаний, а это и есть необходимый нам ультразвук.

Выбор ультразвуковых датчиков.

В современном диагностическом приборе в апертуре ультразвукового датчика под специальным защитным материалом (похожим на резину) находятся пьезокристаллы — главный элемент, который отвечает за генерацию ультразвука нужной частоты. Сами пьезокристаллы выращивают органическим путем на специальных производствах и качество получаемого диагностического изображения линейно связано с качеством произведенного пьезокристалла. Также важно количество пьезокристаллов в апертуре, ведь чем больше пьезоэлементов, которые генерируют ультразвук, тем больше отраженного эхосигнала может получить прибор и, соответственно, тем более информативным будет диагностическое изображение.

При выборе датчика не стоит опираться только на форму апертуры и применение (линейный, конвексный, секторный фазированный, внутриполостной и т.д.). Форма апертуры и самого датчика прежде всего определяет его применимость в различных исследований. А вот на качество изображения будет влиять именно плотность расположения пьезоэлементов (пьезокристаллов) в датчике и однородность характеристик отдельных пьезоэлементов.

Подведем итог всего вышеописанного в некой произвольной форме, которая, как нам кажется, будет полезна посетителю нашего сайта:

1. 1.     Датчик если не самый важный элемент аппарата для УЗИ, то один из главных. От него зависит около 70% качества диагностического изображения;
2. 2.     Выбирая датчик, обратите внимание на количество пьезоэлементов и плотность их расположения (например: линейный датчик с апертурой 38мм может содержать как 128 так и 192, 256, 512, 1000+ элементов).
3. 3.     Если вы рассматриваете к покупке не оригинальный ультразвуковой датчик, а совместимый (стороннего производства), то подходите к такой покупке крайне аккуратно.

О совместимых датчиках хотелось бы добавить следующее: Производитель ультразвукового прибора крайне претенциозно относится к контролю качества над производством датчиков (и не удивительно, так как при плохом датчике обязательно будет плохая визуализация у любой, самой технологичной ультразвуковой системы). Производителю совместимого датчика, напротив, совсем не нужно так внимательно следить за качеством, такие производители преследуют свои цели: снижение себестоимости для того, чтобы успешно конкурировать с другими, более крупными и официальными производствами.

Безусловно не нужно расценивать выше написанное как информацию о том, что все совместимые датчики плохие. Конечно нет. Просто производство и продажа не оригинального совместимого датчика для ультразвукового аппарата оставляет огромное поле для маневра в случае, если кто-то захочет вас обмануть. Посудите сами: будете ли вы спрашивать количество элементов внутри датчика перед приобретением? Сможете ли вы проверить, что элементов именно столько, сколько вам назвали? Есть ли у вас возможность воспользоваться очень дорогим фантомом для определения КПД кристаллов датчика?

Как и в абсолютно любом деле, осведомленность и знания очень важны. Если вы планируете приобрести ультразвуковую диагностическую систему и/или ультразвуковой датчик, то обязательно обращайте внимание на описанные выше немаловажные детали. Если же вы планируете покупку в нашей компании, то вы можете задать все необходимые вопросы одному из наших менеджеров по контактным данным, опубликованным на сайте. 

Мы желаем вам удачной покупки!

Коллектив ООО «Медфорд»

Назад

Обратный пьезоэффект и его применение

Первый пьезоэлектрический эффект был изобретен в 1880 году двумя братьями ученых, а именно «Пьером Кюри» и «Жаком». Этот эффект был обнаружен по приложенному к кристаллу давлению, в противном случае кварц образует электрический заряд в материале. Позже они сослались на такой научный факт, как пьезоэлектрический эффект. «Братья Кюри» быстро изобрели «обратный пьезоэлектрический эффект », и после того, как они подтвердили, что всякий раз, когда электрическое поле требуется на клеммы кристалла, это приводит к искажению.Это известно как обратный пьезоэлектрический эффект. Название пьезоэлектрический происходит от греческого слова. Значение пьезо-слова в противном случае сжато, тогда как электрический означает янтарный.

Что такое пьезоэлектрический эффект?

Пьезоэлектрический эффект можно определить как способность определенных материалов генерировать электрический заряд в ответ на приложенное механическое давление. Одна из исключительных характеристик этого эффекта — обратимость.Это означает, что материалы демонстрируют прямой пьезоэлектрический эффект, а также обратный пьезоэлектрический эффект.

Пьезоэлектрический эффект

Когда пьезоэлектрический материал находится под механическим напряжением, происходит перенос как положительных, так и отрицательных зарядов внутри материала, что происходит во внешнем электрическом поле. Когда они инвертируются, внешнее электрическое поле также расширяет пьезоэлектрический материал.

Применение пьезоэлектрического эффекта в основном связано с производством, а также обнаружением звука, микровесами, генерацией высоких напряжений, а также электронной частотой, очень точной фокусировкой оптических узлов.Это основа ряда научных инструментальных методов атомного разрешения, таких как СТМ, АСМ (сканирующие зондовые микроскопы). Обычно пьезоэлектрический эффект применяется для взрыва зажигалок.

Пример пьезоэлектрического эффекта

Как мы уже обсуждали, электричество можно генерировать путем сжатия пьезоэлектрического материала. Пьезоэлектрический эффект в кристалле равен , обсуждаемым ниже. Пьезоэлектрический эффект возникает при сжатии пьезоэлектрического материала.Пьезокерамический материал, такой как пьезоэлектрический кристалл, помещается между двумя металлическими пластинами, которые показаны в приведенном ниже примере. Пьезоэлектричество может возникать всякий раз, когда материал сжимается путем приложения механического напряжения.

Пример пьезоэлектрического эффекта

На приведенном выше рисунке на материале присутствует потенциал напряжения. Металлические пластины в приведенной выше схеме могут быть зажаты между пьезоэлектрическим кристаллом. Две металлические пластины собирают заряды, которые создают напряжение, известное как пьезоэлектричество.

В этом методе пьезоэлектрический эффект работает как небольшая батарея, поскольку она генерирует электричество. Это называется прямым пьезоэлектрическим эффектом . Есть несколько устройств, которые могут использовать прямые пьезоэлектрические эффекты, такие как датчики давления, микрофоны, гидрофоны и сенсорные устройства.

Обратный пьезоэлектрический эффект

Обратный или обратный пьезоэлектрический эффект может быть определен как всякий раз, когда пьезоэлектрический эффект реверсируется.Его можно сформировать, приложив электрической энергии , чтобы кристалл расширился. Основная функция этого эффекта — преобразование электрической энергии в механическую.

Обратный пьезоэлектрический эффект

Используя этот эффект, мы можем разработать устройства для генерации звуковых звуковых волн. Лучшими примерами таких устройств являются динамики, иначе зуммеры.

Основным преимуществом использования этих динамиков является то, что они очень тонкие, что делает их функциональными в различных телефонах.Даже в датчиках сонара и в ультразвуковом оборудовании используется обратный пьезоэлектрический принцип . Неаудио обратные пьезоэлектрические устройства включают в себя приводы, а также двигатели.

Как использовать этот эффект?

Пьезоэлектрический кристалл Скручивание может осуществляться разными способами на разных частотах. Это скручивание можно назвать режимом вибрации. Кристаллу можно придать различные формы для достижения различных режимов вибрации.
Несколько режимов были расширены для работы с многочисленными частотными диапазонами для понимания небольших, экономичных, а также высокопроизводительных устройств.

Эти режимы позволяют создавать продукты для работы в диапазоне низких кГц-МГц. Виды колебаний: изгиб, продольный, площадь, радиус, сдвиг по толщине, захваченная толщина, поверхностная акустическая волна и волна BGS.

Керамика представляет собой значительную коллекцию из пьезоэлектрических материалов . Murata использует эти различные режимы вибрации, а также керамику для изготовления множества ценных продуктов, таких как керамические дискриминаторы, керамические ловушки, керамические BPF (полосовые фильтры) , керамические резонаторы, зуммеры, а также фильтры на ПАВ.

Применение пьезоэлектрического эффекта

Применение пьезоэлектрического эффекта включает следующее.

• Пожалуйста, обратитесь по ссылке, чтобы узнать о проекте пьезоэлектрического эффекта , а именно о Footstep Power Generation System .
• Пьезоэлектрические датчики используются в промышленных приложениях для различных целей, таких как датчики детонации двигателя, датчики давления, гидроакустическое оборудование и т.д. Оптическая регулировка, ультразвуковая очистка, ультразвуковая сварка, пьезоэлектрические двигатели, приводы штабелей, приводы полос, пьезоэлектрические реле и т. Д.
• Пьезоэлектрические преобразователи используются в медицинских приложениях для различных целей, таких как ультразвуковая визуализация, ультразвуковые процедуры.
• Пьезоэлектрические приводы используются в бытовой электронике, такой как пьезоэлектрические принтеры (матричный принтер, струйный принтер), пьезоэлектрические динамики (сотовые телефоны, ушные вкладыши, звуковые игрушки, музыкальные поздравительные открытки и музыкальные воздушные шары). Пьезоэлектрические зуммеры, пьезоэлектрические увлажнители воздуха и электронные зубные щетки.
• Пьезоэлектрические материалы используются в музыкальных приложениях, таких как звукосниматели и микрофоны.
• Пьезоэлектричество используется в оборонных приложениях, таких как микроробототехника, пули для изменения курса и т. Д.
• Пьезоэлектричество используется в некоторых других приложениях, таких как пьезоэлектрические зажигалки, производство электроэнергии, MEMS (микроэлектронные механические системы), теннисные ракетки и т. Д.

Таким образом, это все обзор пьезоэлектрического эффекта. Из приведенной выше информации, наконец, мы можем сделать вывод, что пьезоэлектрический эффект — это способность определенных материалов производить электрическую энергию при приложении механического напряжения.Основные характеристики этого эффекта обратимы, что означает, что материалы, которые создают прямой пьезоэлектрический эффект, также создают обратный пьезоэлектрический эффект. Вот вам вопрос, что такое пьезоэлектрический эффект в ультразвуке ?

Обратный пьезоэлектрический эффект и пьезодрайверы_Производитель термисторов, драйверов лазеров, комплектов резисторов, комплектов конденсаторов SMT и контроллеров Tec

Обратный пьезоэлектрический эффект относится к тому, что когда электрическое поле прикладывается в направлении поляризации пьезоэлектрических чувствительных элементов, эти пьезоэлектрические чувствительные элементы будут создавать механическую деформацию или механическое давление в определенном направлении.Когда приложенное электрическое поле убирается, эта деформация или давление также исчезают.

Деформация пьезоэлектрических датчиков может быть деформацией по толщине, деформацией по длине, объемной деформацией, сдвигом по толщине и плоским сдвигом. Однако, поскольку пьезоэлектрические кристаллы различаются по материалам, некоторые пьезоэлектрические кристаллы чувствительны только к одному или нескольким из них, например Некоторые пьезоэлектрические кристаллы очень чувствительны к пьезоэлектрическому эффекту деформации толщины и деформации длины, но не к объемной деформации.

Материалы с положительным пьезоэлектрическим эффектом должны иметь обратный пьезоэлектрический эффект, а пьезоэлектрические коэффициенты одного и того же материала при положительном и обратном пьезоэлектрическом эффекте должны быть одинаковыми. Чем выше пьезоэлектрический коэффициент, тем выше эффективность преобразования энергии пьезоэлектрических материалов.

Пьезодрайверы часто необходимы при применении обратных пьезоэлектрических эффектов, и суть пьезодвигателя заключается в преобразовании электрической энергии в механическую энергию или механическое движение с использованием обратного пьезоэлектрического эффекта.Пьезодрайверы могут не только создавать электрические поля, приложенные к пьезоэлектрическим материалам, между тем, внутренняя программа также может использоваться для управления размером, направлением и частотой электрического поля.

Так как же судить о производительности пьезо-драйвера? Возьмем в качестве примера один модуль пьезодрайвера от ATI. Продукт имеет встроенный генератор сигналов, который может генерировать синусоидальную волну, прямоугольную волну и треугольную волну в соответствии с фактическими требованиями к пьезоэлектрическому материалу; высокая эффективность, быстрое время отклика, 0.Широкий диапазон рабочих частот от 1 Гц до 20 кГц, емкость емкостного привода до 100 мкФ; Кроме того, его входное питание составляет 5 В, а диапазон выходного напряжения составляет -50 В ~ 200 В. Прежде всего, этот пьезодрайвер от ATI — это продукт с разумным дизайном, полным набором функций и отличным качеством.

Думаю, в выборе Пьезодрайвера нет лучшего, но наиболее подходящего. Чтобы узнать больше о наших пьезодрайверах, посетите наш веб-сайт: http: //www.analogtechnologies.ru / High_Efficiency_Pizeo_Driver.html

Пьезоэлектричество — обзор | Темы ScienceDirect

2.14.1.1.1 Пьезоэлектричество

Пьезоэлектричество означает связь между механическими и электрическими полями. Морфема «пьезо-» происходит от греческого «пьезеин» и имеет английское значение «пресс». Терминология впервые появилась в статье Пьера и Поля-Жака Кюри в 1880 году, касающейся их наблюдений над поверхностными зарядами, генерируемыми деформирующими кристаллами.Братья Кюри обнаружили, что для класса пьезоэлектрических кристаллов, таких как соли Рошеля (RS) и кристаллы кварца, деформация под действием силы тяги индуцирует заряды разного знака вдоль определенных поверхностей, противоположных друг другу. Явление поляризации, вызванное деформацией, было названо прямым пьезоэлектрическим эффектом. Год спустя они обнаружили обратный пьезоэлектрический эффект; а именно, что приложение электрического поля к пьезоэлектрическому материалу вызывает деформацию.Прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты вместе называют пьезоэлектрическим эффектом. В современной физике пьезоэлектрический эффект определяется как появление связанных зарядов равного размера, но противоположных знаков, на двух противоположных поверхностях электрической среды из-за поляризации, вызванной чисто механической нагрузкой.

Братья Кюри обнаружили, что каждый пьезоэлектрический материал имеет свою температуру, вызывающую пьезоэлектрический эффект. Эта температура позже была названа температурой Кюри и обозначена как T _C .Когда температура понижается ниже температуры Кюри, поляризация ячейки может претерпевать обратимые изменения, когда им способствуют комбинированные механические и электрические нагрузки. Приложенное напряжение может деформировать кристаллическую решетку и привести к относительному смещению положительных и отрицательных ионов; или, наоборот, приложенное электрическое поле может сдвигать положительные и отрицательные ионы, искажая кристаллическую решетку.

Чтобы пьезоэлектрический эффект возник в материале, его кристаллическая решетка должна быть лишена центральной симметрии.В постепенном процессе деформации разделение положительных и отрицательных ионов является непрерывным, но симметрия материала может резко измениться, как описано Ландау и Лифшицем (1980). В точке бифуркации симметрии материала происходит фазовое превращение параэлектричества в пьезоэлектричество. Пьезоэлектрический эффект лежит в основе ультразвуковых вибраторов. Его можно использовать для разработки звуковых динамиков, увлажнителей, датчиков ускорения, устройств на поверхностных акустических волнах, пьезоэлектрических приводов, ультразвуковых расходомеров и сверхточных позиционеров (Uchino, 1986, 1997; Bradley et al ., 1991).

Термодинамическая теория пьезоэлектрических материалов описана в трактате Гриндлея (1970). Мехатронная связь в пьезоэлектрических материалах происходит из двух механизмов: (i) непрерывный сдвиг ионов без прохождения критической точки и (ii) переключение домена при пересечении критической точки. Первый называется линейным пьезоэлектрическим соотношением с приблизительно линейным соотношением между электрострикцией и вектором поляризации (или вектором электрического смещения).Однако электрострикция, вызванная последним, не зависит от знака вектора поляризации и рассматривается как четная функция поляризации. Под воздействием деформации γ _ij и электрического поля E _k обычный пьезоэлектрический материал имеет следующее выражение удельной свободной энергии (Jona and Shirane, 1962):

(1) F (γij , Eκ) = 12Cijκla˜ija˜κl + eijκEia˜jκ + 12qijκlEiEja˜κl + 12ɛijEiEj + 13ωijκEiEjEκ + 14ςijκlEiEjEκEl +…

Первое слагаемое представляет энергию упругой деформации, а четвертое слагаемое имеет тензор упругости i симметрия; второй член представляет пьезоэлектрическую энергию, где тензор пьезоэлектричества третьего ранга e _ijk имеет не более 18 независимых констант; третий член обозначает электрострикционную энергию, где тензор электрострикции четвертого ранга q _ijkl обладает симметрией Фойгта; четвертый член обозначает диэлектрическую энергию, причем ε _ij является симметричным диэлектрическим тензором второго ранга.Последние два члена являются нелинейными диэлектрическими членами, проявляющимися нелинейным переключателем домена. Строчные латинские индексы имеют диапазон от 1 до 3, а повторяющиеся строчные латинские индексы подразумевают суммирование от 1 до 3.

Согласно общим принципам термодинамики (Nye, 1957), можно получить тензор напряжений σ _ij из выражения свободной энергии в (1) как

(2) σij = Cijκlγκl − eκijEκ + 12qijκlEκEκ

Первый член представляет механическое напряжение, определяемое обобщенным законом упругости Гука; второй и третий члены соответствуют ограничивающим напряжениям из-за линейного пьезоэлектричества и электрострикции соответственно.Точно так же вектор электрического смещения D _i в пьезоэлектрическом материале равен

(3) Di = eijκγjκ + qijκlEjγκl + ɛijEj + ωijκEjEκ + ςijκlEjEκEl +…

Электрическое смещение представляет собой линейный эффект, обусловленный электрическим смещением; второй член означает электрическое смещение, вызванное электрострикцией; третий термин относится к линейному диэлектрическому эффекту; а последние два члена соответствуют нелинейному диэлектрическому эффекту.

Пьезоэлектрические материалы могут иметь форму монокристаллов, поликристаллов (обычно в виде керамики) и некристаллов (например, полимеров).Пьезоэлектричество широко применяется в металлах, полупроводниках, керамике, полимерах, ферромагнетиках и биологических системах. На начало 2000-х годов каталог пьезоэлектрических материалов насчитывал более 1000 наименований. Они делятся на четыре категории: пьезоэлектрические кристаллы, пьезоэлектрические волокна, пьезокерамика и пьезоэлектрические полимеры. Последние две категории используются наиболее часто. Примерами пьезокерамики являются серия цирконата-титаната свинца (PZT) и серия ниобата калия-натрия (PSN), причем PZT является первым выбором для использования в интеллектуальных материалах.Пьезоэлектрическая керамика демонстрирует достаточную прочность и жесткость, а также отличную пьезоэлектрическую способность. Их технологии обработки хорошо разработаны и дешевы. Основными характеристиками пьезоэлектрических полимеров являются хорошая деформируемость, позволяющая производить мембраны большой площади; и низкое акустическое сопротивление, что делает их идеальными для акустических материалов. Наиболее широко используемым пьезоэлектрическим полимером является поливинилиденфторид (ПВДФ).

В таблице 1 перечислены 32 точечные группы в семи решетках Браве под международными символами представления.Из них 11 точечных групп обладают центральной симметрией и классифицируются как точечные группы центральной симметрии. Материалы точечных групп центральной симметрии не обладают ни пьезоэлектричеством, ни спонтанной поляризацией. Оставшаяся 21 точечная группа без центральной симметрии, за исключением кубической точечной группы 432, действительно демонстрирует пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрические кристаллы обычно анизотропны. В наиболее общем случае линейного конститутивного закона можно встретить 45 независимых материальных постоянных, включая 21 упругую постоянную, 18 пьезоэлектрических постоянных и 6 диэлектрических постоянных.Обычно используемая пьезокерамика может быть трансверсально изотропной (с шестикратной симметрией) или ортотропной (с двукратной симметрией). Первый включает в себя известную серию PZT. Трансверсально изотропные пьезоэлектрики имеют 10 независимых материальных постоянных: пять упругих постоянных, три пьезоэлектрических постоянных и две диэлектрические постоянные. Ортотропные пьезоэлектрические материалы имеют 17 независимых материальных постоянных: девять упругих постоянных, пять пьезоэлектрических постоянных и три диэлектрических постоянных.

Таблица 1. Кристаллографические симметрии пьезоэлектриков и пироэлектриков.

мм 3

Определение пьезоэлектрического эффекта

Электромагнетизм
Электромеханические эффекты
Пьезоэлектричество

Что такое пьезоэлектрический эффект?

Пьезоэлектрический эффект относится к изменению электрической поляризации, которое возникает в определенных материалах, когда они подвергаются механическим напряжениям.Это зависящее от напряжения изменение поляризации проявляется как измеримая разность потенциалов в материале. Это явление, называемое прямым пьезоэлектрическим эффектом , наблюдается во многих естественных кристаллических материалах, включая кварц, соль Рошеля и даже человеческую кость. Технические материалы, такие как ниобат лития и цирконат-титанат свинца (PZT), демонстрируют более выраженный пьезоэлектрический эффект.

Важно отметить, что это явление обратимо.Обратный пьезоэлектрический эффект относится к деформации этих материалов, которая возникает в результате приложения электрического поля. Деформация может привести к растягивающим или сжимающим деформациям и напряжениям в материале в зависимости от направления электрического поля, предпочтительного направления поляризации в материале и того, как материал соединяется с другими соседними структурами.

Области применения

Приводы и датчики

Пьезоэлектрические материалы широко используются в компактных приводах, таких как линейные двигатели, роторные двигатели и насосы.Они также используются в датчиках, таких как тензодатчики, датчики давления, акселерометры и гироскопы. Новые конструкции исполнительных механизмов и датчиков могут включать композиты со встроенными пьезоэлектрическими материалами, которые демонстрируют связанную структурную деформацию в различных режимах, например, в устройстве для гибки-сдвига , где деформация сдвига встроенного пьезоэлектрического материала приводит к значительной деформации изгиба композитной структуры.

Акустика

В акустических преобразователях используются пьезоэлектрические материалы для генерации звуковых волн.Под воздействием гармонически изменяющегося электрического поля вибрирующий пьезоэлектрический материал создает попеременное сжатие и разрежение в окружающей текучей среде, что приводит к возникновению звука. Этот принцип используется в миниатюрных динамиках в портативных электронных устройствах, медицинских ультразвуковых устройствах и преобразователях SONAR, таких как преобразователь Tonpilz.

Прямой пьезоэлектрический эффект позволяет использовать пьезоэлектрические материалы для акустического зондирования, например, в микрофонах, гидрофонах и даже звукоснимателях для электроакустических гитар.В этих устройствах внешнее звуковое давление действует как механическая нагрузка на пьезоэлектрический материал, тем самым изменяя его электрический отклик, который можно измерить и сопоставить с акустическим сигналом.

МЭМС

ВЧ-фильтры MEMS, основанные на поверхностных акустических волнах (SAW) и объемных акустических волнах (BAW), используют пьезоэлектрические материалы для их способности преобразовывать электрические сигналы в упругие волны, а затем обратно в электрические сигналы. Собственная электромеханическая связь в пьезоэлектрических материалах позволяет выходному сигналу иметь желаемую разность фаз по сравнению с входным сигналом, а также иметь нежелательные частотные компоненты, присутствующие во входном сигнале, которые должны быть отфильтрованы в выходном сигнале.

Пьезоэлектрические устройства MEMS, использующие прямой пьезоэлектрический эффект, также используются в качестве микромасштабных химических и биологических датчиков. Они могут работать как высокоточные устройства измерения массы на основе сдвигов резонансной частоты, испытываемых пьезоэлектрическими резонаторами, когда на них накапливается дополнительная масса от любого внешнего источника, например, излучающего химические или биологические частицы. Одним из таких устройств являются микровесы на кристаллах кварца (QCM).

Микрофлюидика

В струйных принтерах

используются пьезоэлектрические приводы, в которых импульсный электрический ток используется для управления расширением приводов.Когда пьезопривод расширяется, он толкает чернила, тем самым заставляя их брызгать из сопла. Тот же принцип также используется в микрожидкостных насосах на пьезоэлектрической основе и синтетических струйных приводах для активного управления потоком.

Дата публикации: 31 октября 2014 г.
Последнее изменение: 21 февраля 2017 г.

Пьезоэлектричество — Engineering LibreTexts

Пьезоэлектричество — это воздействие механической деформации и электрических полей на материал; механическое напряжение на пьезоэлектрических материалах будет создавать полярность в материале, а приложение электрического поля к пьезоэлектрическому материалу вызовет деформацию внутри материала.Когда к пьезоэлектрическому материалу прикладывается давление, возникают диполь и результирующая поляризация в направлении приложенного напряжения. Пьезоэлектричество находит множество применений в электрических преобразователях и сигнальных устройствах.

Введение

Братья Пьер и Жак Кюри опубликовали первую статью о прямом пьезоэлектрическом эффекте в 1880 году; они прикладывали напряжения к кристаллам без центра симметрии и наблюдали поверхностный заряд на этих кристаллах. Пьезоэлектричество происходит от греческого слова; «пьезо» означает «нажимать» или «толкать»; следовательно, пьезоэлектричество создает электричество за счет приложения давления.Габриэль Липпманн предсказал «обратный» пьезоэлектрический эффект, и братья Кюри позже подтвердили, что это обратный пьезоэлектрический эффект. В конечном итоге это привело к обратимости пьезоэлектрического эффекта и его приложений.

Центр симметрии

Материалы не должны иметь центра симметрии, чтобы действовать как пьезоэлектрические материалы. В материале с центром симметрии центр масс положительных и отрицательных зарядов совпадает в центре симметрии с механической деформацией или без нее, сохраняя нулевую суммарную поляризацию.В случае пьезоэлектрических материалов при приложении напряжения центр масс положительных и отрицательных ионов изменяется в зависимости от направления приложения напряжения; создается результирующая поляризация, создающая разность напряжений между двумя поверхностями кристалла, на которые прикладывается напряжение.

Рисунок \ (\ PageIndex {} \): \ (\ PageIndex {1} \) Непьезоэлектрический материал с центром симметрии.

На рисунке \ (\ PageIndex {1} \) к непьезоэлектрическому материалу не приложена сила; поляризации не происходит, поскольку центры масс как положительных, так и отрицательных ионов совпадают в точке C.

Рисунок \ (\ PageIndex {} \): \ (\ PageIndex {2} \) Сила применяется к непьезоэлектрическому материалу с центром симметрии.

На рисунке \ (\ PageIndex {2} \) к непьезоэлектрическому материалу приложена сила; поляризация не индуцируется, поскольку центры масс как положительных, так и отрицательных ионов все еще совпадают в точке C.

Рисунок \ (\ PageIndex {} \): \ (\ PageIndex {3} \) Пьезоэлектрический материал без центра симметрии.

На рисунке \ (\ PageIndex {3} \) показан пьезоэлектрический материал без приложения силы.Центры масс как положительных, так и отрицательных ионов совпадают в точке О.

Рисунок \ (\ PageIndex {} \): \ (\ PageIndex {4} \) Пьезоэлектрический материал, сжатый сверху и снизу.

На рисунке \ (\ PageIndex {4} \) при приложении вертикальной силы центры масс как положительных, так и отрицательных ионов смещаются, создавая результирующую поляризацию, как показано в середине материала. Этот процесс прекращается внутри материала до концов его поверхности.

Рисунок \ (\ PageIndex {} \): \ (\ PageIndex {5} \) Пьезоэлектрический материал, сжатый по бокам.

На рисунке \ (\ PageIndex {5} \), когда применяется горизонтальная сила, центры масс как положительных, так и отрицательных ионов все еще совпадают друг с другом, не создавая результирующей поляризации; чистая поляризация будет индуцироваться в зависимости от кристаллической структуры, направления силы, приложенной к материалу, и коэффициента Пуассона материала.

Механизм

Когда к пьезоэлектрическому материалу прикладывается напряжение, его размеры изменяются. В зависимости от направления приложения напряжения результирующее изменение размеров может сместить центры масс положительных и отрицательных ионов; это создает диполь по всему материалу.Диполи внутри материала компенсируют друг друга, но на поверхности материала диполи не компенсируются, создавая полярность, задаваемую.

\ [P = d \ T = d \ dfrac {F} {A} \ nonumber \]

где T — механическое напряжение, P — индуцированная поляризация, а d — пьезоэлектрический коэффициент.

Рисунок \ (\ PageIndex {} \): \ (\ PageIndex {6} \) Пьезоэлектрический эффект показан выше; механическое растяжение или сжатие пьезоэлектрика будет индуцировать ток, зависящий от типа напряжения и направления.

Поляризационный заряд дает

\ [P = \ dfrac {Q} {A} \ nonumber \]

где

• \ (Q \) — заряд, а
• \ (A \) — площадь поперечного сечения пьезоэлектрического материала, к которому приложено напряжение.

Поляризация индуцирует напряжение из-за заданного

\ [V = \ dfrac {Q} {C} = \ dfrac {A \ P} {\ dfrac {\ epsilon_ {0} \ epsilon_ {r} A} {L}} = \ dfrac {L \ P} { \ epsilon_ {0} \ epsilon_ {r}} = \ dfrac {L (d \ dfrac {F} {A})} {\ epsilon_ {0} \ epsilon_ {r}} = \ dfrac {d \ L \ F} {\ epsilon_ {0} \ epsilon_ {r} A} \ nonumber \]

где

• \ (\ epsilon_ {0} \) — диэлектрическая проницаемость вакуума,
• \ (\ epsilon_ {r} \) — относительная диэлектрическая проницаемость,
• \ (L \) — длина пьезоэлектрического материала, а
• \ (C \) — емкость.

С другой стороны, если к пьезоэлектрическому материалу приложить электрическое поле, оно вызовет деформацию, равную

.

\ [S = d \ E \ nonumber \]

, где \ (E \) — приложенное электрическое поле, \ (S \) — создаваемая деформация, а d — тот же пьезоэлектрический коэффициент, что и выше. Это также известно как обратный пьезоэлектрический эффект. В этом случае отрицательные ионы будут стремиться двигаться к положительному концу электрического поля, а положительные ионы — к отрицательному.В результате сдвига положительных и отрицательных ионов размеры материала изменяются, создавая деформацию внутри материала.

Пьезоэлектрический коэффициент одинаков как для прямого, так и для обратного пьезоэлектрического эффекта при одинаковой величине электрического поля и наведенной деформации или механического напряжения и наведенной поляризации.

Коэффициент Пуассона также может влиять на пьезоэлектричество; если пьезоэлектрический материал сжимается в одном направлении, он может расширяться в двух других направлениях.Коэффициент Пуассона равен

.

\ [\ nu = — \ dfrac {d \ varepsilon_ {trans}} {d \ varepsilon_ {axial}} \ nonumber \]

, где \ (d \ varepsilon_ {trans} \) и \ (d \ varepsilon_ {axial} \) — деформации в двух направлениях, которые не были сжаты. Идеальный пьезоэлектрический материал должен иметь коэффициент Пуассона, равный 0, что эффективно устраняет его влияние на поляризацию.

Пьезоэлектрические материалы

Пьезоэлектрические материалы требуют отсутствия центра симметрии. Из 21 класса кристаллов, не имеющих центра симметрии, следующие 20 способны создавать пьезоэлектрический эффект:

• 1, 2, м, 222, мм2, 4, 4, 422, 4 мм, 42 м, 3, 32, 3 м, 6, 6, 622, 6 мм, 62 м, 23, 43 м.

Единственный класс кристаллов, не имеющий пьезоэлектрического эффекта, — это класс 432 куб. пьезоэлектрические заряды, образующиеся вдоль его осей <111>, компенсируются.

Кварц чаще всего используется в часах и на радиостанциях с соответствующей длиной волны

.

\ (PZT \) — это керамика, созданная путем измельчения \ (PbZrO_3 \) и \ (PbTiO_3 \) и спекания их вместе путем нагревания порошков и их диффузии друг в друга, создавая композицию \ (PbTi_ {1 -x} Zr_ {x} O_3 \), где x обычно 0.5. Хотя он встречается в природе, он обычно производится серийно в лабораториях. Из-за токсичной природы свинца исследуются его бессвинцовые альтернативы.

Составные полупроводники также имеют тенденцию проявлять пьезоэлектрические эффекты.

Приложения

Пьезоэлектричество играет огромную роль в преобразователях; преобразователи преобразуют разные виды энергии в другой тип энергии, в данном случае механическую энергию в электричество. В случае микрофонов колебания звуковых волн преобразуются в электрические сигналы.Громкоговорители делают обратное, преобразовывая эти электрические сигналы в звуковые волны. Пьезоэлектрические преобразователи используются не в диапазонах слышимых волн, а в диапазонах ультразвуковых волн.

Пьезоэлектрические преобразователи используются в ультразвуковых волновых приложениях. Модуль Юнга твердого тела может быть определен путем нахождения ультразвуковой скорости волны, проходящей через твердое тело, которая затем преобразуется в электрический сигнал, считываемый на осциллографе. Если в материале есть трещины и дефекты, ультразвуковые волны будут отражаться или рассеиваться; это позволяет проводить анализ разрушения материала, поскольку ультразвуковые волны сохраняют структурную целостность материала нетронутой.

Устройство на поверхностных акустических волнах (SAW) было произведено в основном для использования в качестве фильтра; Взаимодействуя с поверхностными волнами на печатных платах, можно либо увеличить, либо уменьшить определенные частоты, производимые электрическими устройствами.

Другие применения пьезоэлектриков — это трансформаторы (для повышения или понижения электрического напряжения) и датчики давления (использующие пьезоэлектрический эффект для создания электрического отклика в случае изменения давления или частоты).

вопросов

1. Есть ли у пьезоэлектрических материалов центр симметрии?
2. В каком направлении пьезоэлектричество создает напряжение?
3. Какие два типа энергии преобразователи из пьезоэлектрических материалов преобразуют?

Ответы

1. №
2. Направление приложенного электрического поля или механического напряжения.
3. Механические и электрические.

Дополнительные ссылки

• Пьезоэлектричество (Википедия)
• Кристаллографические точечные группы (Википедия)

Преобразователи

• (Википедия)

• Список литературы

1. Синклер, Ян. Датчики и преобразователи. 3-е изд. Уоберн, Массачусетс: Баттерворт-Хайнеманн, 2001
2. Kasap, Safa O.Принципы электронных материалов и устройств. 3-е изд. Авеню Америк, Нью-Йорк: Макгроу-Хилл, 2005
3. Арнау, Антонио. Пьезоэлектрические преобразователи и их применение. 2-е изд. Манхэттен, Нью-Йорк: Springer, 2008
4. Ян, Джиаши. Введение в теорию пьезоэлектричества. Vol. 9. Манхэттен, Нью-Йорк: Springer, 2005,

.

Пьезоэлектрический эффект: работа, примеры, типы и применение

Мы можем использовать многие материалы, такие как тростниковый сахар, кварц, соль Рошеля и другие, не зная, что именно они представляют и каковы их преимущества.Но сегодня эта статья ясно объясняет вам эти материалы, потому что это пьезоэлектрические материалы, и они развиваются с пьезоэлектрическим эффектом. Этот эффект впервые был замечен Жаком Кюри и Пьером в 1880 году. Зная, что они знают о пироэлектричестве, кристаллических структурах и характеристиках, они изобрели пьезоэлектрический эффект. Итак, давайте углубимся в концепцию пьезоэлектрического эффекта, его работу, приложения и другие.

Что такое пьезоэлектрический эффект?

Определение: Определение пьезоэлектрического эффекта определяется как изменение электрической поляризации материала при приложении механического давления.Электрическая поляризация соответствует изменению положительных и отрицательных зарядов, создающих периферийное электрическое поле. Приложенная сила в материале создает развитие разности потенциалов в материалах. Эту концепцию даже называют прямым пьезоэлектрическим эффектом . Такие композитные материалы, как цирконат, титанат свинца и ниобат лития, являются материалами, демонстрирующими сильный пьезоэлектрический эффект, так что это лучший пример.

пьезоэлектрический эффект

Следует отметить исключительный сценарий, заключающийся в том, что этот эффект является обратимым, что означает, что результатом будут электрические деформации в материале при приложении электрического поля.Это называется обратным пьезоэлектрическим эффектом .

Это можно наблюдать в основном в кристалле кварца, поскольку эти материалы являются лучшим применением этого эффекта. Пьезоэлектрический эффект в кристалле объясняется тем, что на металлических поверхностях будут возникать электрические заряды, когда к пьезоэлектрическому кристаллу прикладывается определенное давление или напряжение. Развиваемый заряд прямо пропорционален приложенному напряжению, и заряд может быть преобразован в напряжение с помощью усилителей заряда, а выходная мощность обозначена как

В = -q / c

Где V — результирующий уровень напряжения

«q» — электрический заряд

Пьезоэлектрические драйверы

Эти драйверы используются для включения пьезоэлектрических машин для преобразования минимальных напряжений в максимальные.На вход поступают сигналы низкого напряжения, а на выходе с помощью усилителей — сигналы высокого напряжения. Принципиальная схема приведена ниже:

пьезоэлектрический драйвер

Обратный пьезоэлектрический принцип

Это работает точно так же, как и прямой пьезоэлектрический эффект, когда приложение электрического напряжения создает соответствующие механические деформации в пьезоэлектрических материалах, где деформация соответствует любому сжатию. или расширение в размерах материала. Это можно просто объяснить как преобразование электричества в механическую энергию.Немногие из устройств, которые работают по этому принципу, — это акустические колонки, зуммеры, исполнительные механизмы и двигатели.

Материалы с пьезоэффектом

Материалы с пьезоэффектом — это материалы, которые могут генерировать электричество при приложении силы или давления, а также может возникать обратный эффект. Пьезоэлектрические материалы имеют непроводящую природу, и их можно разделить на керамику и кристаллы. Некоторые примеры, которые создают пьезоэлектрический эффект:

• Титанат бария
• Ниобат лития
• Цирконат титанат свинца, также называемый PZT

Эти искусственно созданные материалы обеспечивают точные результаты, их лучше использовать, и есть другие природные материалы. тоже.

Искусственные материалы подразделяются на пять типов: керамика, полимеры, тонкие пленки, аналоги кварца и композиты.

При сравнении кварца и цирконата-титаната свинца PZT обеспечивает повышенное напряжение, пропорциональное приложенной силе. Точно так же при приложении напряжения будет происходить равное движение материала. Обычно это применяется в керамических конденсаторах, исполнительных механизмах, преобразователях и датчиках.

Другой материал — титанат бария — это разновидность сегнетоэлектрического керамического материала, имеющего пьезоэлектрические характеристики.А ниобат лития — это материал, состоящий из лития, кислорода и ниобия. Это также сегнетоэлектрический керамический материал, обладающий пьезоэлектрическими характеристиками.

В наши дни многие учебные заведения включают множество проектов по пьезоэлектрическому эффекту, потому что существует множество приложений, использующих этот эффект.

Пьезоэлектрический эффект Ультразвук

Пьезоэлектрические материалы также обладают способностью генерировать ультразвук и способностью создавать и обнаруживать ультразвуковые волны.При применении этого эффекта носители электрического заряда будут двигаться, и это приводит к изменению макроскопической длины. При приложении переменного напряжения частицы начинают вибрировать. Также могут иметь место колебания давления. В то время как разреженные частицы имеют тенденцию к снижению уровней давления, а сжатие приводит к увеличению уровней давления. Таким образом, длина звуковой волны определяет расстояние, которое существует между местами сжатия и разрежения. Выходной сигнал будет распространяться в среде, а скорость сигнала зависит от упругих свойств и плотности, которыми обладает среда.

Применение пьезоэлектрического эффекта

Пьезоэлектрический эффект находит широкое применение во многих отраслях промышленности, и некоторые из них, которые следует обсудить, находятся в следующих источниках:

Датчики

Эти устройства работают по принципу, согласно которому механическая деформация изменяется на давление и действует на две противоположные силы: чувствительный компонент. Обнаружение изменений давления во время звука — это обычное применение датчиков, которые можно наблюдать в гитарах и микрофонах с пьезоэлектрическим усилителем.

Акустический

В преобразователях акустического типа используются пьезоэлектрические материалы для создания звуковых сигналов. При воздействии флуктуирующего электрического поля происходит развитие разрежения и сжатия, что приводит к созданию звука. Эту функциональность можно наблюдать в устройствах сонарных преобразователей, небольших динамиков, преобразователей Tonpilz, струйных принтеров, дизельных двигателей, топливных форсунок и громкоговорителей.

Стандарт частоты

В кварцевых часах используется кварцевый генератор, изготовленный из кристалла кварца, который работает как с прямым, так и с обратным пьезоэлектрическим эффектом.Выход этих устройств представляет собой последовательность электрических импульсов, которые используются для отметки времени. Аналогичная операция используется в радиоприемниках и радиопередатчиках.

Медицина

Людям, у которых возникли проблемы с оплодотворением, выкидыш можно использовать с пьезоэлектрической стимуляцией ооцитов наряду с внутрицитоплазматической инъекцией сперматозоидов, где эта процедура может повысить шансы на результаты оплодотворения.

Кроме того, пьезохирургия — это минимальная операция, используемая для разрезания ткани, не оказывающей воздействия на соседние ткани.А другие медицинские приложения — это ультразвуковая визуализация и ультразвуковые процедуры.

Часто задаваемые вопросы

1). Что такое пьезоэлектрический эффект в ультразвуке?

Операция преобразования кинетической энергии в механическую также работает так же, как и в ультразвуковых преобразователях, и это преобразование создает звуковые волны.

2). Кто открыл пьезоэлектрический эффект?

Этот эффект был впервые обнаружен Полем Жаком Кюри и Пьером в 1880 году при работе с кристаллами Рошельской соли, кварца и турмалина.

3). Может ли пьезоэлектрик заряжать аккумулятор?

При приложении силы или давления к пьезоэлектрическому кристаллу металлические пластины собирают заряды и вырабатывают напряжение. Итак, это можно использовать как аккумулятор.

4). Что вызывает пьезоэлектрический эффект?

Этот эффект возникает, когда зарядовое равновесие в кристаллической матрице претерпевает какие-либо изменения.

5). Что такое обратный пьезоэлектрический эффект?

Этот эффект может быть создан путем приложения электрического заряда к пьезоэлектрическому материалу, где это создает деформацию (сжатие или расширение) материала.Итак, здесь электрическая энергия преобразуется в механическую.

Итак, в этой статье представлен обзор того, как развивается пьезоэлектрический эффект, материалы, которые создают пьезоэлектрический эффект, типы материалов и примеры. С непрерывным развитием и развитием эти материалы показывают передовые области применения и могут быть использованы в различных областях и отраслях промышленности. Необходимо знать больше концепций: какие искусственные материалы создают пьезоэлектрический эффект?

Пьезодрайвер и контроллер для облачного контура.Пьезо для разрешения нм!

Пьезоэлектрический привод представляет собой линейный двигатель.
основан на электрически управляемой деформации твердого тела. Под пьезоэлектрическим эффектом понимается линейное электромеханическое взаимодействие
между механическим и электрическим состоянием в определенном кристаллическом состоянии. Пьезоэлектрический эффект — это обратимый электромеханический механизм:

• — прямой пьезоэлектрический эффект описывают внутреннее
  генерация электрического заряда в результате приложенной механической силы)
• — обратный пьезоэффект (внутренний
  возникновение механической деформации в результате приложенного электрического поля).

Обратный пьезоэлектрик используется для приводов и используется для статического позиционирования, а также для динамического срабатывания вплоть до
производство ультразвуковых звуковых волн.

Ключевыми преимуществами пьезоэлектрического привода являются способность генерировать

• — необычайно сильная сила,
• — немедленная быстрая реакция, и
• — точный ход.

Смещение пьезоактуатора в первую очередь пропорционально входному напряжению.Силы намного выше, чем у любого
другое электрическое устройство сопоставимого размера, такое как двигатель с линейной звуковой катушкой. Чрезвычайно важно отметить, что сила действия связана с довольно малым ходом.

Такие материалы, как кварц, при деформации генерируют напряжение. Этот сенсорный эффект был открыт Пьером и Жаком Кюри в 1880 году и называется пьезоэффектом.
эффект. Механизм механоэлектрической связи обратим: когда к пьезоэлементу прикладывается сила, деформация тела связана со смещением внутренних зарядов, и напряжение увеличивается.
генерируется на электродах и наоборот.Обратный пьезоэлектрический эффект описывает срабатывание, деформацию тела в присутствии электрического поля.

Внутреннее электрическое поле оказывает электрострикционные силы на кристаллическую структуру пьезоматериала, и тело деформируется и вызывает смещение. За
требуется практическое применение материалов с сильным сильным эффектом. Правильный материал керамики класса PZT (цирконат-титанат свинца). Пьезоактуаторы — это твердотельные компоненты, изготовленные из керамического материала особого класса.Эта керамика имеет структуру перовскита. Приводы от Piezotechnik
представляют собой высокоэффективные композиции на основе смесей оксидов PZT, Pb (свинец) -Zr (цирконий) -Ti (титан). Свойства материала PZT для приводов Piezotechnik оптимизированы легирующими добавками и производственным процессом. Материалы были разработаны для
оптимизированные электрические характеристики, высокое смещение, генерирование силы, низкие потери и стабильность, срок службы и надежность. Электроприводы Piezotechnik продемонстрировали долгий срок службы и надежность и зарекомендовали себя
выполнить более 10

¹⁰ циклов с полной амплитудой напряжения на высокой скорости.

Технология привода пьезостека основана на
расширение пластин пьезокерамики, которое расширяется при приложении электрического напряжения. Внутреннее электрическое поле создается электродами наверху и внизу
пластина.

Создание деформации для срабатывания требует напряженности поля порядка 1.000 — 2.000 В на мм толщины слоя. Как правило, низкое напряжение
Для создания исполнительных механизмов требуется множество тонких пьезослоев.В результате получается корпус из пьезоматериала с электродной структурой. Конструкция электродной конструкции
это хорошо известный образец MLCC (многослойный керамический конденсатор). Электроды изолированы от
антиполюсные электроды внутри пакета. На следующем рисунке показано, что такой метод изоляции приводит к неоднородному распределению поля, что вызывает неоднородное поле, связанное с
концентрация механических напряжений (см. кружок).

Ключевым аспектом конструкции приводов Piezotechnik является однородность внутреннего поля и адекватно оптимизированный электрод.
структура.Приложенное электрическое поле непосредственно создает внутреннее механическое напряжение в керамике. Для достижения наилучших характеристик и эффективности наиболее желательна равномерная деформация стопки. Также,
Неоднородное распределение поля приводит к высоким компонентам растягивающего напряжения в пьезоэлектрической батарее, что нарушает механическую целостность керамического тела. Таким образом, однородное распределение поля имеет фундаментальное значение для производительности и срока службы пьезоэлектрической батареи.
привод. Пакеты Piezotechnik имеют полные сквозные электроды, которые покрывают всю площадь активных слоев.Стэки имеют внешнюю изоляцию по бокам для изоляции разъема, который
соединяет электроды одинаковой полярности. Эта геометрия — единственное решение для идеального однородного распределения поля.

Продвинутое решение представлено на следующем рисунке. Электроды являются изоляцией на лицевых сторонах пакета. Изоляция чередуется для каждого полюса и электродов общей полярности.
соединены металлической полосой. Это приводит к идеальной структуре внутреннего электрического поля.

Эталонным решением для пьезоэлектрических приводов является технология сопряженного многослойного привода (CMA). В процессе производства CMA вся структура пакета приводов, включая внутренние электроды и пьезокерамический материал, производится за один этап.
Электродное и керамическое сырье формируют в виде блока и спекают при высоких температурах в монолитный блок. Этот процесс называется совместным сжиганием. Эта конструкция — лучшая конструкция пьезо.
пластина с учетом деформации и связанного с ней распределения механических напряжений представляет собой идеальный электростатический конденсатор, где две параллельные электродные пластины полностью покрывают пьезоматериал и
создают однородное электрическое поле.