Источник питания для пьезоэлемента. Пьезоэлектрический генератор электрической мощности. Использование пьезоэлемента для других целей
Среди множества диэлектрических материалов встречаются и такие, которые обладают так называемым пьезоэффектом. На их поверхности могут возникать электрические заряды под влиянием деформации. Существует и обратный эффект, когда диэлектрики начинают деформироваться под действием внешнего электрического поля. Пьезоэлемент сам по себе не может считаться источником электроэнергии. Он всего лишь преобразует механическую энергию в электрическую, с очень низким КПД. Однако, благодаря своим качествам, пьезоэлементы широко используются в технике, в первую очередь, как источники электрических разрядов.
Физические свойства пьезоэлемента
Пьезоэлектрические материалы по своей сути довольно простые и характеризуются всего лишь двумя физическими величинами - диэлектрической проницаемостью и пьезоэлектрическим модулем. От первой величины зависит емкость пьезоэлемента, а от пьезоэлектрического модуля - электрический заряд, образующийся на электродах, после того как к ним была приложена какая-то сила.
В пьезокерамике для описания процесса применяется три модуля в зависимости от расположения силы, действующей по отношению к полярности оси пьезоэлемента.
Наиболее выраженный эффект проявляется в модуле d 33 , в котором первая цифра индекса означает направление полярной оси вдоль оси Z традиционной системы координат, а вторая указывает на направление действующей силы вдоль этой же оси. За счет этого пьезоэлемент с величиной модуля d 33 существенно превышает значение комбинаций с другими направлениями.
Прямой пьезоэффект модуля измеряется в единицах кулон/ньютон (К/Н). Именно эта величина характеризует материал, из которого он изготовлен. Независимо от приложенной силы и размеров самого элемента, при воздействии силы в 1 ньютон, на электродах будет образовываться один и тот же заряд.
Для определения напряжения на электродах существует формула: U = q/C, в которой в свою очередь q = F d 33 . Из данной формулы видно, что в отличие от заряда, напряжение будет зависеть от размеров пьезоэлемента, поскольку емкость С связана с площадью электродов и расстоянием между ними. Если в качестве примера взять емкость обычной зажигалки, равной 40 пикофарадам (пф), то приложенная сила в 1 Н даст напряжение 6 В. Соответственно, если сила увеличится до 1000 Н (100 кг), то полученное напряжение составит уже 6 кВ.
Принцип работы
Действие пьезоэлемента наиболее четко просматривается на примере зажигалки нажимного действия. При нажатии на клавишу, зажигалка выдает целую серию искр, что свидетельствует о наиболее удачном использовании пьезогенератора в данной конструкции. Чтобы представить себе принцип работы, рекомендуется рассмотреть схему упрощенной модели этого устройства. Она выполнена в виде опоры с рычагом, создающим большое усилие, воздействующее на пьезоэлемент.
Сами элементы представляют собой сплошные цилиндрические конструкции, на торцах которых расположены электроды. Они соприкасаются друг с другом, поэтому на них воздействует одинаковая сила. Ориентация каждого пьезоэлемента между собой выполнена таким образом, чтобы электроды соприкасающихся поверхностей имели один заряд, например, положительный, а противоположные концы - заряд с другим знаком. Порядок подключения необходимо обязательно соблюдать, особенно при изготовлении подобного устройства своими руками.
Под действием рычага электроды замыкаются, и возникает электрическое параллельное соединение каждого пьезоэлемента между собой. От точки соприкосновения выводится токовод с закругленным наконечником, расположенным от металлической основы на определенном расстоянии. Во время нажатия на рычаг воздушный промежуток между основой и наконечником пробивается электрической искрой. Теперь уже понятно, как работает такая зажигалка. При дальнейшем нажатии усилие возрастает, что приводит к появлению второй и последующей искр. Это будет происходить до тех пор, пока пьезоэлементы не разрушатся полностью.
Применение
Любой пьезоэлемент можно использовать в современных технических устройствах разного назначения. Они применяются в качестве кварцевых резонаторов, миниатюрных трансформаторов, пьезоэлектрических детонаторах, генераторах частоты с высокой стабильностью и во многих других местах. Каждый прибор устроен таким образом, что в нем может использоваться не только кристаллический кварц, но и элементы из поляризованной пьезокерамики.
Однако пьезоэлемент не ограничивается одними лишь зажигалками. В настоящее время ведутся работы по решению задачи, как сделать использование этих материалов более продуктивным. Данный принцип достаточно давно применяется на танцевальных площадках и стоянках автомобилей, где под давлением происходит превращение механической энергии в электрическую.
В перспективе возможно устройство более мощных энергодобывающих систем. В настоящее время разрабатываются генераторы, обладающие небольшими размерами, основой которых служит нитрид алюминия, успешно заменивший традиционный цирконат-титанат свинца. Данное устройство по своей сути является беспроводным температурным датчиком, способным накапливать энергию от различных вибраций и передавать полученные данные через установленные промежутки времени.
В настоящее время преобразователи на базе пьезоэлементов устанавливаются на реактивные самолеты. Данное техническое решение дает возможность экономии до 30% топливных ресурсов, используя колебания крыльев и самого фюзеляжа. Созданы экспериментальные светофоры, работающие от аккумуляторов, заряжающихся от колебаний воздуха, вызванных городским шумом.
В будущем эти разработки позволят ликвидировать дефицит мощностей. С помощью пьезоэлементов станет возможно получать электричество в результате движения автомобилей по специально оборудованным трассам. Даже десять километров такой пьезодороги выдадут около 5 МВт/час. Тротуары для пешеходов также внесут свой вклад в добычу электроэнергии. Данное направление очень интересное и перспективное, привлекающее внимание ученых многих стран.
В последние годы получило новое развитие направление пьезоэлектрического приборостроения, связанное с созданием пьезоэлектрических преобразователей для генерации электрической энергии за счет использования механической энергии деформации, перемещения конструкций и движения транспортных средств и человека.
Внедрение новой технологии изготовления пленочных пьезоэлектрических элементов с толщиной от 5 до 100 мкм и реализация технологии их автоматической сборки в многослойные конструкции позволяют изготовить пьезоэлектрические генераторы с оптимальными параметрами, обеспечивающими согласование их импеданса с импедансом нагрузки и выходными напряжениями от 2-10 до 240-300 В [ - ]. Конструкция пьезогенератора определяется конструкцией пьезоэлемента.
Пьезоэлементы, в которых направление поляризации совпадает с направлением механического усилия, используются при создании мощных пьезоэлектрических генераторов на напряжения 100-300 В. Пьезоэлементы изгибного типа (биморфы), в которых направление поляризации перпендикулярно направлению деформации при вибрации, используются при создании мини-пьезоэлектрических генераторов на напряжения 2-10 В.
Как правило, мощные пьезоэлектрические пьезогенераторы являются преобразователями механической энергии (с давлением не менее 1-2 кН) в электрическую при циклическом нагружении, при этом переменное напряжение преобразуется с помощью мостовых выпрямителей в постоянное. Поскольку пьезопреобразователь работает в течение продолжительного времени с относительно малой электрической энергией, производимой за один цикл, как правило, используется система накопления и хранения энергии (рис. 1). Для стабилизации выходного напряжения пьезогенератора на заданном уровне используется система с обратной связью, специальный контроллер. Контроллер также обеспечивает согласование импеданса пьезогенератора с выходным импедансом потребителя энергии.
Рис. 1. Блок-схема модуля питания
Принципиальная конструкция пьезоэлектрического микропреобразователя на основе пьезобиморфа показана на рис. 3.
Рис. 3. Принципиальная конструкция микропреобразователя на пьезобиморфе
Фирма Nissan Electric (Япония) разработала и выпускает модуль питания на основе пьезобиморфа, который вырабатывает энергию при ходьбе человека (мощность ≥20 мВт).
Фирма EnOcean сообщает о разработке безбатарейного радиовыключателя освещения .
В приведены результаты исследований мини-пьезогенератора для питания имплантируемого протеза TKR при давлении с мощностью до 225 мкВт (мощность потребления системы питания микроконтроллера протеза TKP PIC161E872 — 50 мкВт).
В [ - ] приведены результаты исследований пьезогенератора, имплантируемого в протез колена человека для стимуляции роста костной ткани (мощность до 250 мкВт).
В Англии фирма Facility Architects совместно со Scott Wilson Group реализует проект Pacesetters по преобразованию механической энергии движения пассажиров на вокзале Виктория (за 60 мин. проходит 34 тыс человек) в источник электрической энергии. Авторы проекта полагают, что система может получить от каждого проходящего человека 3-4 Вт. Аналогичной разработкой занимаются специалисты японской железнодорожной компании JR-East совместно с учеными университета Keio. Созданная ими система может использоваться для подсчета пассажиров и одновременно для генерации электричества от прохождения людей через турникет. Эксперимент показал, что на вокзале в Сибуя в течение 6 часов работы система вырабатывает 1 Вт/ч.
Английская компания Pavegen Systems разработала пьезогенератор Pavegen, который преобразует энергию от давления шагов человека в электрическую (при деформации на 5 мм получается 2,1 Вт). Плата-генератор изготовлена из нержавеющей стали, покрытой резиной. Внешний корпус изготовлен из литого алюминия. Получаемая энергия накапливается в литьевых полимерных аккумуляторных батареях и может быть использована для питания осветительных приборов. Пять таких генераторов, установленных на оживленном участке тротуара, могут снабдить энергией освещения автобусную остановку на всю ночь. По подсчетам экономистов, срок окупаемости этого устройства — около года, в то время как заявленный ресурс составляет пять лет или 20 млн шагов.
Гриценко Анатолий, Никифоров Виктор, Щёголева Татьяна
Литература (в источнике): Подробности Просмотров: 1206
Принцип поджигания, основанный на пьезоэффекте (от греч. ?? – piezo – давлю). Это явление, открытое братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 г, заключается в том, что при сдавливании монокристаллов некоторых веществ на их гранях возникают электрические заряды. Такой монокристалл заменяет в конструкции зажигалки кремень.
Пьезоэлемент в зажигалке представляет собой маленький кристалл кварца, наделенный пьезоэлектрическими свойствами. Когда к кристаллу прилагается напряжение, кристаллическая решетка деформируется и меняются размеры кристалла. Это называется прямым пьезоэффектом. И, наоборот, при растяжении или сжатии кристалла кварца на его поверхности образуется напряжение. Этот явление называется обратным пьезоэффектом. Слабый удар по кристаллу кварца, разположенному в зажигалке, порождает напряжение в несколько сотен вольт. Так происходит электрический пробой, и между электродами проскакивает искра. Газ загорается.
К слову сказать, пеьезозажигалка - это наукоемкое изделие, детище высоких технологий второй половины ХХ века и является своего рода мини- электростанцией … на ладони. В самом деле, не чудо ли, когда нажатие пальца на клавишу силой всего 20-30 Н напрямую преобразуется в высокое напряжение 10-20 тысяч Вольт? Более того, это практически неиссякаемый источник энергии, срок службы пьезоэлементов такого механизма не менее 12 лет!
Эти зажигалки не нуждаются в источниках энергии или других расходных материалах (кроме газа конечно же).
Пьезоэлектричество генерируется в ходе инновационного процесса, в котором не используются стандартные электрические провода. Вместо этого искру получают при помощи естественных сил. Воспламенитель пьезо очень надежен.
Пьезоэлектричесво не использует электрические соединения, хотя во многих приборах для получения искры в определенном месте используют провода. Для воспламенения в таких приборах обычно нужно нажать на кнопку. Они достаточно эффективны, просты в использовании, прочны и требуют минимального ухода.
Пьезозажигалки, как правило, живут намного дольше зажигалок механических. Секрет их долголетия заключается в отсутствии трения элементов. Однако, если с пьезоэлементом что-то случилось, починить его вам не удастся. Никакая зачистка ему не поможет, «самодеятельность» убьет зажигалку окончательно. Заметим, однако, что выход из строя пьезоэлемента - явление очень редкое.
Кроме того, пьезозажигалкам не грозит утечка газа, что с кремневыми случается, к сожалению, нередко. Конечно, мы говорим здесь исключительно о качественных пьезозажигалках от надежных производителей, а не о продукции «черного» рынка.
Прислал:
Самодельные стельки с пьезоэлементами, которые вырабатывают электричество для питания гаджетов.
Ценю в людях честность, открытость. Люблю мастерить разные самоделки. Нравится переводить статьи. Ведь, кроме того, что узнаешь, что то новое еще и даришь людям возможность, окунуться в мир самоделок.
Знаете ли вы, что можно производить электричество при ходьбе? В данной статье описывается научный эксперимент, который наглядно демонстрирует секрет обувных стелек
, с помощью которых можно заряжать USB-устройства.
Задача состоит в том, чтобы сделать стельки, которые смогут производить достаточно электроэнергии для зарядки аккумуляторов.
Разработка проекта.Стельки , что генерируют электроэнергию – мой первый концептуальный проект. Первый прототип был построен более 5 лет назад. Он состоял из двух пластиковых прокладок, в которых было зажато два пьезоэлектрических диска. Система производила достаточное количество энергии для зарядки Nokia 3310.
Спустя 5 лет я вернулся к этой идее. Для усовершенствования решил интегрировать в систему контроллер заряда и батарейный блок. Кроме того увеличил число дисков на 2 пары. В конце концов, чем больше, тем лучше.
Концепция проекта.
Пьезоэлектричество было открыто в середине 18 века . Эффект заключается в следующем: электрический заряд накапливается в некоторых твердых материалах , таких как: кристаллы, некоторые виды керамики, в ответ на приложения механической нагрузки. Звучит невероятно!
Почему не использовать динамо-машины.Насколько это, возможно, в своих проектах я пытайтесь избегать использованию динамо. Динамо-машины вырабатывают гораздо больше электроэнергии, но от них много шума.
Практическое применение.Хотя это и звучит смешно, но добыча электроэнергии из стелек – далеко не шуточное занятие. К примеру, обувная компания Nike, могла бы использовать стельки для обеспечения электроэнергией фитнес-чипы (внутри обуви), которые бы синхронизировались с телефоном по беспроводной сети.
Таким образом, отпала бы необходимость заряжать смарт-обувь.
Статья показывает, как сделать своими руками
электрогенератор с использованием пьезоэлектрических элементов. Шаг 1: Научная часть проекта
Вопросы, которые меня беспокоили.
Почему бы не использовать традиционные возобновляемые источники энергии? Пьезоэлектрика развивается не так быстро, как солнечная энергетика. Но любой изобретатель трепещет перед мысль об открытии нового источник возобновляемой электроэнергии. Скрывать генераторы в обуви, на первый взгляд может показаться сумасшедшей идеей, но не все так просто, как кажется на первый взгляд. Эти тонкие стельки-генераторы вырабатывают достаточно энергии, для зарядки устройств, что потребляют низкую величину тока.
Проблемы.
Угольные электростанция являются наиболее распространёнными источниками электроэнергии на Филиппинах и во всем мире. Поэтому страны мира ищут альтернативные источники электроэнергии. Большинство неразвитых районов не имеют возможности подключится к электросети. Однако, люди нуждаются в возможности заряжать мобильные телефоны и другие устройства, что питаются от аккумуляторов.
Последние годы, мои научные эксперименты касались в основном возобновляемых источников электроэнергии. Первым экспериментом стал маленький автомобиль на солнечной батарее. На последующих научных ярмарках были представлены эксперименты, что были связаны с солнечной, ветро-, гидро- и химической энергией.
Моей целью было найти новый источник энергии, что не зависел бы от погодных явлений. Пройдя через сотни статей, что связаны с альтернативной энергетикой и выполнив десятки экспериментов, однажды, сказав себе, что просто скопировать или взять за основу чужую идею – это не мой путь. Я как настоящий изобретатель, должен придумать и построить все с самого нуля.
Вопросы для размышления .
- Хватит ли энергии для обеспечения питанием карманных устройств?
- Будет ли, производится достаточно энергии для зарядки USB устройств?
- Можно ли выйти на стандарт питания USB?
- Можно ли подключить светодиодную сборку?
- Установка в обувь и одежду модулей для зарядки устройств;
- Питание GPS модулей, что помогут отслеживать путешественников в отдаленных уголках планеты, в случае пропажи туристов в пустыне, лесу и т.д.;
- Отлично подходит для областей планеты, где электроэнергия в дефиците.
В проекте использовались пьезоэлектрические технологии. Некоторые материалы обладают способностью накапливать электрический заряд под воздействием механических сил. В качестве примера выступают несколько видов керамики, сегнетовой соли, а также другие различные виды твердых частиц. Для примера: PbO3 где, 0≤x≤1, также называется Цирконат-титанат-свинца (PZT ), генерирует измеряемое электричество, когда его структура деформируется примерно на 0,1% от первоначального размера.
В этом проекте величина генерируемой электроэнергия будет определяться и записываться, для того, чтобы в дальнейшем определить, возможно ли заряжать литий-ионный аккумулятор или конденсатор большой емкости.
Пьезоэлектрический эффект, с помощью которого материал генерирует электрический потенциал был изучен Карлом Линнем и Францом Эпинуса в средине 18 века. Опираясь на эти знания Рене Жюст Гаюи и Антуан Сезар Беккерель предложили зависимость между механическими нагрузками и электрическими зарядами. Однако их эксперименты потерпели неудачу.
Первая демонстрация прямого пьезоэлектрического эффекта была представлена в 1880 году братьями Пьером и Жаком Кюри. Они объединили свои знания пьезоэффекта с пониманием основ кристаллических структур. Синтез подобных знаний позволил предсказать поведение кристалла и продемонстрировать эффект возникновения электричества используя кристаллы турмалина, кварца, топаза, тростникового сахара и сегнетовой соли (тартрат тетрагидрата калий натрия). Самый лучшей результат был получен при использовании кварца и сегнетовой соли.
Пьезоэлектрический диск генерирует напряжение при деформации (изменение формы сильно преувеличено). Однако Кюри не стали прогнозировать обратный эффект. Обратный эффект был выведен математически из принципов термодинамики Габриэлем Липпманом в 1881 году. Кюри немедленно подтвердили существование обратного эффекта и отправились на получение количественного доказательства полной обратимости электро-упругой-механической деформации в пьезоэлектрических кристаллах.
В течении следующих нескольких десятилетий, пьезоэлектричество оставалось чем-то вроде лабораторного любопытства. Много роботы было проделано для определения и исследования кристаллических структур, которые накапливают электричество. Это привело к тому, что в 1910 году был опубликован труд, в котором описывались более 20 природных кристаллов, что способны генерировать электроэнергию, строго определены константы и т.д.
Метод/тестирование.
Описан в шагах 3 и 14.
Результаты.
Система была подключена к компьютеру через встроенный TTL
, что использовался для создания последовательной связи между Arduino и ПК. Полученная связь использовалась для наблюдения за аналоговым входом, через который подключена стелька-генератор. Отдельная программа «processing
2.0
» использовалась для контроля пульсаций, что выходят из генератора.
Выводы/отчет.
Текущие результаты показали, что величина тока генерируемая пьезоэлементом, достаточна для зарядки литий-ионного аккумулятора. Хотя и присутствуют недостатки, текущие положительные результаты дают возможность развивать проект в дальнейшем. Генератор-стелька вырабатывает достаточно энергии, чтобы запитывать маломощные схемы, такие как микроконтроллеры и передатчики TTL Bluetooth. После всего этого, можно с гордостью сказать, что продукт готов к производству и монтажу в одежду/обувь.
Для зарядки USB устройства, одного генератора не будет достаточно.
Дальнейшие планы.Использование 3D печати и разработка стандартных чертежей устройства, позволят обществу повсеместно использовать описанное изобретение.
Глоссарий/ Термины с которыми Вы можете столкнутся.
- Пьезоэлектричество
–
это способность некоторых материалов генерировать переменный ток при
воздействии механических нагрузок и вибрации или вибрации при
воздействии переменного напряжения, или того и другого. Наиболее
распространённым пьезоматериалом выступает кварц. Некоторые виды
керамики, сегнетовой соли демонстрируют подобный эффект. - Piezo – сокращение для пьеоэлектрики.
- Переменный ток – поток электрического заряда, периодически меняющее свое направление. Пьезоэлементы производят эти токи.
- Постоянный ток – поток электрического заряда одного направления.
- Диодный мост – состоит из 4 выпрямительных диодов, которые выпрямляют переменный ток в постоянный.
- Пьезо Диск/ Элемент/ Преобразователь – все элементы, относятся к дискретным компонентам.
Шаг 3: Материалы и инструменты
Необходимые материалы:
- батарейный блок с USB;
- Пьезоэлектрические преобразователи– 6 шт ;
- 1N4007 – выпрямительный диод – 4 шт ;
- Провод – 30 см ;
- Старая пара обуви;
- Клей.
Инструменты :
- Цифровой мультиметр;
- Мультитул (плоскогубцы, кусачки и т.д.);
- Фабричный гравер или гравер , что сделан своими руками .
Необязательно :
- Конденсатор емкостью 100 нФ (для тестирования);
- Липучка;
- Светодиодные индикаторы (для тестирования);
- Суперклей (для крепления проводов);
- Спортивная планка для смартфона;
- 5 В импульсный стабилизатор.
- Батарейный блок > старая батарея от телефона + восстановленный 5 В инвертор;
- Пьезоэлектрические преобразователи > пара старых/устаревших наушников;
- Мультитул > плоскогубцы.
Измерим размер и форму стельки. С помощью ножниц вырежем заготовку из пластика. Она будет основой будущей конструкции, на которой в дальнейшем монтируются пьезоэлектрические диски с дополнительными компонентами.
Толщина пластины должна быть в диапазоне 2-5 мм . Если толщина слишком большая пьезоэлемент сломается из-за большого прогиба. Если же материал будет слишком тонким, элемент не будет прогибаться в «полной мере» при этом преобразователь будет выдавать меньше энергии.
Шаг 5: Идеальный материал
Расположим 3 диска
на стельке в местах, где пятка давит на подошву. После этого обведём места предполагаемой установки, чтобы зафиксировать их для дальнейшей работы.
Основываясь на концепцию проекта, необходимо было найти пластину в 2-5 мм толщиной, при этом она должна была быть легкой и жесткой, способной выдержать постоянные нагрузки на изгиб. Металлы слишком жесткие, а углеродное волокно слишком тонкое. После экспериментов с большим количеством материалов выбор пал на ПВХ .
ПВХ материалы вокруг нас. Их можно приобрести в ближайшем строительном магазине или попросить у соседа, что недавно делал ремонт и менял сантехнику. Мне повезло, в гараже было полно труб квадратного сечения.
Шаг 6: Вырезаем отверстия ПВХ колодок
На этом этапе следует сделать круглые отверстия в пластиковых стельках. Вырезаем отверстие с помощью гравера. Если же у вас есть сверло нужного диаметра, то задача упрощается. Также можно воспользоваться «старомодным способом», нагревать железный гвоздь и плавить пластик.
Шаг 7: Приклеиваем пьезоэлементы
Крепление дисков должно выдержать многократные изгибы, так как на них будут наступать неоднократно. Не используйте суперклей! При засыхании он твердеет и не проявляет гибкость соединения. Лучшим вариантом в данном случае выступает резиновый клей . Его особенность поддаваться воздействие будет идеальна для проекта.
Шаг 8: Спаиваем пьезоэлементы
Спаиваем элементы параллельно. Не припаивайте их последовательно, так как величина тока вырастит, а напряжения – упадет.
Шаг 9: Изготавливаем диодный мост
Следуем приведенной схеме . Переменный ток не имеет полярности, можно припаивать пьезоэлементы в любом варианте. Нагрузкой (на схеме резистор) будет выступать заряжаемое устройство.
Шаг 10: Добавляем пену
Приклеим небольшие куски пены в центр дисков, они будут выступать в качестве толкателей. С их помощью можно будет выжимать диски во время ходьбы.
Шаг 11: Наблюдение и тестирование
Наконец настало время проверить всю теории в практике. Подключим цифровой мультиметр в режиме амперметра, включив 2-значный диапазон измерения постоянного тока. Помните, что ток в элементах образуется в момент нажатия и держится короткий период времени. Поэтому для более читабельных показаний воспользуемся конденсатором на 100 нФ
.
Показания вольтметра:
Нажатие рукой = 15.03 В (2 mA);
Прогулка = 18.53 В (5 mA);
Бег = 27.89 В (11 mA);
Шаг 12: Устанавливаем стельки
Устанавливаем генератор между колодкой и стелькой.
Шаг 13: Добавим батарейный блок
Генератор в пиковых значениях выдает до 28 В
. Хотя значение тока и небольшое, но напряжение вполне в состоянии повредить устройство, питающееся от 5В.
Примечание : для безопасной работы устройства необходимо поставить понижающий блок до 5 В.
Шаг 14: Будущие прототипы
Вот такая получалась необычная самоделка . Приятной всем прогулки.
Электромеханический преобразователь, изготавливаемый из пьезоэлектрических материалов, определенной формы и ориентации относительно кристаллографических осей, с помощью которого механическая энергия преобразуется в электрическую (прямой пьезоэффект), а электрическая в механическую (обратный пьезоэффект).
Конструктивно пьезоэлемент представляет из себя пьезокерамику с нанесенными электродами. Пьезоэлементы могут быть разнообразной формы: в виде дисков, колец, трубок, пластин, сфер и др. Для вибраторов и генераторов пьезоэлементы объединяют в пьезостек, чтобы достичь лучших характеристик.
Сменить цвет
Диаметр: 10 мм
Толщина: 1 мм
Материал: ЦТС-26
Напряжение: 5В
Частота возбуждения: 1МГц
Масштаб колебаний: 30000:1
Посмотреть колебания
Остановить колебания
Рисунок - Колебание свободного пьезоэлемента под действием напряжения (обратный пьезоэффект)
Пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектрические вещества (пьезоэлектрики ), в частности пьезокерамика, имеет то свойство, что при деформации под действием внешнего механического давления на их поверхности возникают электрические заряды. Этот эффект называется прямым пьезоэлектрическим эффектом и был открыт в 1880 г. братьями Кюри.
Справка: Первая статья Жака и Пьера Кюри о пьезоэлектричестве была представлена Минералогическому обществу Франции (Societe mineralogique de France) на сессии 8 Апреля 1880 года и позже Академии наук (Academie des Sciences) на сессии 24 августа 1880 года. Пьер и Жак Кюри впервые открыли прямой пьезоэлектрический эффект у кристалла турмалина . Они заметили, что если оказывать механическое давление на кристалл в определенном направлении, на противоположных сторонах кристалла возникают электрические заряды пропорциональные давлению и противоположной полярности. Позже они открыли подобный эффект у кварца и других кристаллов. В 1880 году Пьеру Кюри был только 21 год .
Вскоре после этого (в 1881 г.) был подтвержден и обратный пьезоэффект , а именно что такое вещество, расположенное между двумя электродами, реагирует на приложенное к нему электрическое напряжение изменением своей формы. Первый эффект в настоящее время используется для измерений, а второй – для возбуждения механических давлений, деформаций и колебаний.
Более детальные исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойством элементарной ячейки структуры материала. При этом элементарная ячейка является наименьшей симметричной единицей материала, из которой путем ее многократного повторения можно получить микроскопический кристалл. Было показано, что необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в элементарной ячейки.
Свойства пьезокерамики
Связь между приложенной силой и результирующим ответом пьезоэлемента зависит от: пьезоэлектрических свойств пьезокерамики, размера и форм образца, направления электрического и механического возбуждения.
По своей природе пьезоэлектрические материалы являются анизотропными кристаллами. показывает различные направления и оси ориентации пьезоэлектрического материала. Оси 1, 2 и 3 являются соответственными аналогами осей X, Y, Z классической ортогональной системы координат, в то время как оси 4, 5, и 6 определяют оси вращения. Направление оси 3 является направлением поляризации . Это направление устанавливается во время производства посредством высокого постоянного напряжения, которое создается между электродами.
Характеризуется следующими свойствами:
Относительная диэлектрическая постоянная является отношением диэлектрической проницаемости материала (в этом случае и ) к диэлектрической проницаемости вакуума ()где = 8,85· 10 -12 , Ф/м
Верхний индекс показывает граничные условия действующие на материал в процессе определения значения относительной диэлектрической постоянной. В частности индекс T (в этом случае) говорит о том, что диэлектрическая постоянная измеряется на свободном (не зажатом) образце . А индекс S показывает, что измерения происходят при постоянной деформации пьезокерамики (в зажатом состоянии). Первый нижний индекс показывает направление диэлектрического смещения, а второй – электрического поля . Формула расчета относительной диэлектрической постоянной следующая:
Собственная частота пластины по толщине вычисляется по следующей формулегде с – скорость звука в материале, м/с
Нажимайте сюда для просмотра колебаний пьезоэлемента!
Частота возбуждения f=25кГц
Масштаб колебаний 200000:1
Частота возбуждения f=73,6кГц
Масштаб колебаний 10000:1
Частота возбуждения f=280кГц
Масштаб колебаний 10000:1
Рисунок 4 - Амлитудно-частотная характеристика пьезоэлемента. Виды колебаний на разных частотах
Коэффициенты электромеханической связи k p , k 33 , k 15 , k t и k 31 описывают способность пьезоэлемента превращать энергию из электрической в механическую и наоборот. Квадрат коэффициента электромеханической связи определяется как отношение накопленной преобразованной энергии одного вида (механической или электрической) к входной энергии второго вида (электрической или механической). Индекс показывает относительные направления электрических и механических величин и вид колебаний. Они могут быть связанны с модой колебаний простого преобразователя определенной формы. k p означает взаимосвязь электрической и механической энергии в тонком круглом диске, поляризованном по толщине и колеблющемся в радиальном направлении – планарная мода (). k 31 относится к длинному тонкому бруску с электродами на длинной поверхности. Вид колебаний – растяжение сжатие по длине (). k t связан с тонким диском или пластиной и определяет растяжения сжатия по толщине (). k 33 соответствует длинному тонкому бруску с электродами на его концах и поляризованному по длине. Вид колебаний – растяжения сжатия по длине (). k 15 описывает энергию преобразованную в сдвиговые колебания по толщине () .Этот коэффициент может быть вычислен через резонансную и антирезонансную частоту по формуле.
, (4)
Чтобы измерить эти частоты обычно используется , с помощью которого можно получить зависимость сопротивления от частоты пьезокерамики ().
По своей природе, резонансная частота возникает, когда система имеет очень маленькое сопротивление, в то время как антирезонанс происходит, когда система имеет очень большое сопротивление. На частота которая имеет минимальное сопротивление считается резонансной (), а частота с максимальным сопротивлением – антирезонансной ().
Рисунок 5 – Виды колебаний образцов пьезокерамики разной формы
Упругие свойства пьезоэлектрических материалов характеризуются упругими податливостями () или упругими жесткостями (). Упругая податливость определяет величину деформации возникающей под воздействием приложенного механического напряжения. Ввиду того, что под воздействием механического напряжения керамика порождает электрический ответ, который противодействует результирующей деформации, эффективный модуль Юнга при коротком замыкании электродов меньше чем при холостом ходе. В дополнение, жесткость различна в разных направлениях, поэтому для точного определения величины указывается электрические и механические условия. Верхний индекс E говорит о том, что замеры происходят при постоянном электрическом поле (короткое замыкание). В то время как, индекс D указывает на граничное условие – постоянное электрическое смещение (индукция), т.е. замеры происходят при холостом ходе. Первая нижняя цифра показывает направление деформации, вторая направление механического напряжения . Пьезоэлектрический модуль d – отношение механической деформации к приложенному электрическому полю (Кл/Н)Полезно помнить, что большие значения d ij приводят к большим механическим смещениям, что обычно добивается при проектировании ультразвуковых преобразователей . d 33 применяют, когда сила направлена в направлении оси поляризации (). d 31 используют, когда сила прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом заряд возникает на электродах, так же как и в предыдущем случае (). d 15 показывает, что заряд накапливается на электродах, которые находятся под прямым углом к изначальным поляризующим электродам и что получаемые механические колебания являются сдвиговыми ().
Пьезоэлектрическая константа давления g ij – отношение полученного напряжения к приложенному давлению.
, (6)
Индекс “33” показывает, что электрическое поле и механическое напряжение направлены по оси поляризации. Индекс “31” означает, что давление прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом напряжение снимается с тех же самых электродов, что и в случае “33”. Индекс “15” подразумевает, что приложенное напряжение является сдвиговым и результирующее электрическое поле перпендикулярно к оси поляризации. Высокое значение g ij ведет к большим выходным напряжениям, что является желательным для сенсоров.
Коэффициент Пуассона – это отношение относительного поперечного сжатия к соответствующему относительному продольному удлинению
, (7)
, (8)
, (9)
, (10)
Скорость старения это показатель изменения резонансной частоты и емкости со временем. Чтобы вычислить эту скорость, после поляризации электроды преобразователя соединяются вместе, и образец нагревается определенный период времени. Производятся замеры резонансной частоты и емкости каждые 2 n (1,2,4 и 8) дня. Скорость старения вычисляется по следующей формуле :
, (11)
Рисунок 7 – Порошок для изготовления пьезоэлемента
Процесс изготовления пьезокерамики разделяется на несколько этапов. При осуществлении синтеза заданного сегнетоэлектрического соединения исходное сырье (окислы или соли, например, двуокись титана и окись бария) измельчается и смешивается в количествах, соответствующих стехиометрическому составу соединения, а затем подвергается термической обработке при температурах 900 – 1300 °С, в процессе которой происходит химический синтез. Используется также так называемый метод осаждения из водных растворов, при котором температура синтеза благодаря идеальному перемешиванию компонентов снижается до 750 – 1000 °С. Из порошкообразного синтезированного материала прессованием (а также литьём под давлением) получаются заготовки необходимой конфигурации и размеров для будущих пьезоэлементов, которые затем подвергаются обжигу по строго определенному температурному режиму, в большой степени определяющему свойства пьезокерамики. Механическая обработка детали после обжига обеспечивает ей точно заданную форму и размеры. На деталь наносятся электроды из серебра, никеля, платины и др., причем наибольшее распространение получил метод вжигания серебра. Для поляризации керамики к электродам подводится электрическое напряжение (напряжённость поля Е составляет от 0,5 до 3 кВ/мм в зависимости от химического состава и метода поляризации). С целью уменьшения напряженности поля Е при поляризации образец нагревают до температур, близких к точке Кюри (т. к. при этом домены обладают большей подвижностью), а затем медленно охлаждают в присутствии поля. Пьезокерамике свойственно т. н. старение, т. е. изменение её параметров (диэлектрической проницаемости, пьезомодулей) со временем, особенно заметное в первые несколько суток после изготовления и поляризации образцов, которое обусловлено изменением как механических напряжений на границах между зёрнами, так и величины остаточной поляризации .
Применение пьезокерамики
Пьезоэлектрические материалы нашли применение в широком ряде областей, таких как медицинские инструменты, контроль промышленных процессов, системах производства полупроводников, бытовых электрических приборах, системах контроля связи, различных измерительных приборах и в других областях. Коммерческие системы, которые используют пьезоэлектрические материалы – помпы, швейные машины, датчики (давления, обледенения, угловых скоростей и т.д.), оптические инструменты, лазерные принтеры, моторы для автофокусировки камер и многие другие. При этом область применения данных материалов постоянно растет. Применение пьезоэлемента обычно сводится к четырем категориям: сенсоры, генераторы, силовые приводы, и преобразователи.
В генераторах , пьезоэлектрические материалы могут генерировать напряжение, которого достаточно для возникновения искры между электродами, и таким образом могут быть использованы как электроды для воспламенения топлива, для газовых плит и для сварочного оборудования. Альтернативно, электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектрическими элементами, может накапливаться. Такие генераторы являются превосходными твердыми аккумуляторными батареями для электронных схем.
В сенсорах , пьезоэлектрические материалы преобразуют физические параметры, такие как ускорение, давление и вибрации в электрический сигнал.
В силовых приводах , пьезоэлектрические материалы преобразуют электрический сигнал в точно контролируемое физическое смещение, четко устанавливая точность механических инструментов, линз и зеркал.
В преобразователях , пьезоэлектрические преобразователи могут, как генерировать ультразвуковой сигнал из электрической энергии, так и конвертировать приходящие механические колебания в электрические. Пьезоэлектрические приборы проектируются для измерения расстояний, скорости потока, и уровня жидкости. Преобразователи так же используются, чтобы генерировать ультразвуковые вибрации для очистки, сверления, сварки, размельчения керамики и для медицинской диагностики .