Датчики давления ооо «пьезоэлектрик»

Прямой пьезоэффект

Прямой пьезоэффект проявляется в образовании зарядов на поверхности твердого тела под действием механических напряжений. Обратный пьезоэффект проявляется в изменении. Эти эффекты очень ярко проявляются в кварцевом резонаторе.
 

Прямой пьезоэффект состоит в появлении электрических зарядов при деформации пьезоэлемента, а обратный — в его деформации под действием электрического поля. Таким образом, пластина излучает благодаря обратному пьезоэффек-ту, а принимает — благодаря прямому.
 

Прямой пьезоэффект состоит в том, что при сжатии или растяжении пластинки, вырезанной из кварца, сегнетовой соли и некоторых других кристаллов, на ее гранях появляются электрические заряды. Под действием продольной упругой волны на гранях пластинки периодически появляются заряды противоположных знаков. Прямой пьезоэффект используют для регистрации ультразвуковых волн.
 

Прямой пьезоэффект состоит в появлении электрических зарядов противоположных знаков на поверхностях кристаллов некоторых веществ при механическом воздействии на них. При изменении направления механического воздействия знаки зарядов изменяются на противоположные.
 

Прямой пьезоэффект заключается в том, что некоторые вещества с кристаллической структурой при действии механических сил могут электрически поляризоваться. Пьезоэффект присущ кристаллам с ионными решетками, имеющими низкую степень симметрии. При механических воздействиях происходит деформация элементарных ячеек кристалла и смещение положительных и отрицательных ионов относительно друг друга, что ведет к изменению электрических моментов и к поляризации кристалла в целом. С изменением деформации сжатия на деформацию растяжения ( или наоборот) направление поляризации меняется на противоположное.
 

Следствием прямого пьезоэффекта является обратный пьезоэффект — появление механической деформации под действием электрического поля. Связь между механическими и электрическими параметрами ( деформацией и электрическим полем) носит в обоих случаях линейный характер.
 

Явление прямого пьезоэффекта, заключающееся в возникновении зарядов на гранях кристаллов некоторых веществ при их растяжении и сжатии, было открыто в 1880 г. братьями Кюри.
 

Следствием прямого пьезоэффекта является обратный пьезоэффект — появление механической деформации под действием электрического поля. У некоторых пьезоэлектриков решетка положительных ионов в состоянии термодинамического равновесия смещена относительно решетки отрицательных ионов, в результате чего они оказываются электрически поляризованными даже без внешнего электрического поля. Такие кристаллы называются пнроэлектриками. Эти группы веществ находят широкое применение в технике и бытовых устройствах.
 

Следствием прямого пьезоэффекта является обратный пьезоэф-фект — появление механических деформаций под действием электрического поля. При упругой деформации происходит смещение положительных и отрицательных ионов друг относительно друга, что приводит к возникновению электрического момента. Пьезоэффекты наблюдаются только в кристаллах, не имеющих центра симметрии. Смещение частиц в кристаллах, обладающих центром симметрии, не приводит к появлению поляризованного состояния. В этом случае происходит электрическая компенсация моментов.
 

Благодаря прямому пьезоэффекту эти колебания обусловливают весьма интенсивные электрические колебания, которые используют для создания замкнутой электромеханической автоколебательной системы — кварцевого генератора.
 

Благодаря прямому пьезоэффекту эти колебания обусловливают весьма интенсивные электрические колебания, которые используют для создания замкнутой электромеханической автоколебательной системы — кварцевого генератора.
 

Благодаря прямому пьезоэффекту на поверхности пластинки кварца образуются электрические заряды и через пластинку проходит ток, совпадающий по фазе с приложенным напряжением. Следовательно, через кварц, кроме реактивной составляющей тока, проходит активная составляющая, которую называют пьезоэлектрической.
 

Пьезоэлектрические устройства

Гидролокатор

Гидролокатор был изобретен в 1900-х годах Льюисом Никсоном. Первоначально он использовался для обнаружения айсбергов. Однако интерес к нему очень сильно возрос в период Первой мировой войны, где он использовался для обнаружения подводных лодок. В наше время гидролокатор является распространенным прибором с большим количеством различного рода применений.

На рисунке ниже показан принцип работы гидролокатора:

А принцип работы довольно прост – передатчик, который использует обратный пьезоэлектрический эффект, посылает звуковые волны в определенном направлении. При попадании волны на объект она отражается и возвращается обратно, где ее обнаруживает приемник.

Приемник, в отличии от передатчика, использует прямой пьезоэлектрический эффект. Он преобразует возвращаемую отраженную звуковую волну в электрический сигнал и передает его в электронную систему, которая и будет производит дальнейшую обработку сигнала. Расстояние от источника сигнала до определяемого объекта вычисляется на основании временных характеристик сигналов передатчик – приемник.

Пьезоэлектрические исполнительные устройства

Ниже показана работа силового привода на  основе пьезоэлектрического эффекта:

Работа привода довольно проста – под воздействием приложенного к материалу напряжения происходит его расширение или сужение, которое и приводит привод в движение.

Например, некоторые вязальные машины используют этот эффект для своей работы благодаря его простоте и минимальному количеству вращающихся частей. Такие приводы применяются даже в некоторых видеокамерах и мобильных телефонах в качестве приводов фокусировки.

Пьезоэлектрические громкоговорители и зуммеры

Такие устройства используют обратный пьезоэлектрический эффект для создания и воспроизведения звука. При подаче напряжения к динамикам и зуммерам он начинает вибрировать и таким образом генерирует звуковые волны.

Пьезоэлектрические динамики обычно используют в будильниках или других несложных акустических системах для создания простой аудиосистемы. Эти ограничение вызваны частотой среза данных систем.

Пьезо драйверы

Пьезо драйверы могут преобразовывать низкое напряжение батареи в высокое для питания силовых пьезоэлектрических устройств. Пьезо драйверы помогают инженерам создавать большие значения синусоидального напряжения.

Ниже представлена блок схема, показывающая принцип работы пьезо драйвера:

Пьезо драйвер будет получать низкое напряжение от батареи и повышать его с помощью усилителя. Осциллятор будет подавать на вход драйвера синусоидальное напряжение малой амплитуды, которое в последующем будет повышено пьезо драйвером и отправлено на пьезо устройство.

Как не ошибиться с подбором датчика ПЭП

• Частота (МГц). Имеется в виду рабочая частота – та, при которой наблюдается максимальная амплитуда эхо-импульса от опорного отражателя. Проверяется при помощи образцов СО-3, К1, К2 и др. Низкочастотные датчики имеют диапазон частот от 0,5 до 1,8 МГц и рекомендованы для прозвучивания материалов, которым свойственна крупнозернистая структура и высокий коэффициент затухания. К таковым относятся чугунные сплавы, полимеры, композиты, бетон. К среднему диапазону относят частоты 1,8–2,5 МГц. Среднечастотные ПЭП – пожалуй, самые универсальные, поскольку эффективны для дефектоскопии объектов большой толщины. Наконец, существуют высокочастотные пьезоэлектрические преобразователи, диапазон которых начинается от 4–5 МГц и может превышать 10 МГц. Основная область их применения – мелкозернистые и тонкостенные (до 20 мм) материалы.
• Угол ввода (в градусах). Имеется в виду угол между нормалью к поверхности и линией, соединяющей точку выхода ультразвуковых волн и точку на отражателе (несплошности), от которой отражается эхо-сигнал с наибольшей амплитудой. Угол ввода обычно меньше угла акустической оси (центрального луча) либо равен ему. Отклонение тем больше, чем больше глубина залегания несплошности и чем шире диаграмма направленности. Последняя описывает угловое распределение амплитуды волны, в пределах которого можно выделить основной «лепесток» (на него приходится около 85% энергии излучения) и боковые «лепестки» (оставшиеся 15%). Пьезоэлектрические преобразователи с широкой диаграммой направленности хороши для выявления несплошностей. Определять их координаты, изучать форму и размеры эффективнее с узкой диаграммой направленности.
• Радиус пьезоэлемента. От этого зависит ближняя зона – та часть акустического поля, в которой оно изменяется немонотонно. Несплошности, которые находятся в этих пределах, сложнее зафиксировать, поскольку амплитуда обратного сигнала получается низкой. Соответственно, чем меньше диаметр пьезоэлемента и ближняя зона, тем меньше вероятность, что какой-то дефект будет пропущен.
• Стрела – расстояние от передней грани ПЭП до точки выхода центрального луча, или акустической оси.
• Мёртвая зона. Этим термином обозначают подповерхностную область объекта контроля со стороны прижима датчика, в пределах которой не удаётся выявить дефекты определённого размера. Фактическая мёртвая зона зависит от длительности электрического импульса, демпфирования пьезоэлемента, скорости распространения волны в материале, эквивалентной площади несплошностей и пр. Говоря о мёртвой зоне пьезоэлектрического преобразователя, стоит упомянуть и зону влияния зондирующего импульса. Под этим подразумевается приповерхностная область, в пределах которой не удаётся достоверно измерить эквивалентный размер отражателя. Связано это с тем, что под влиянием зондирующего импульса амплитуда эхо-сигналов искажается более чем на +2 дБ.
• Амплитудно-частотная характеристика. Оценивается по двум параметрам – резонансной частоте и ширине пропускания, о которых мы сказали выше.
• Разрешающая способность. Может быть лучевой и фронтальной. По разрешающей способности можно судить о минимальном расстоянии между двумя одинаковыми отражателями, при котором они будут регистрироваться раздельно.
• Путь в призме. Имеется в виду отрезок между средней точкой пьезоэлемента и точкой выхода ультразвукового луча. Этот параметр ещё называют предварительным пробегом. У пьезоэлектрических преобразователей с жёстким протектором он незначителен. Другое дело – мягкий протектор, способный вносить ощутимую задержку. Если перед оператором стоит задача точно измерить толщину стенки или глубину залегания дефекта, то путь в призме нужно учитывать.
• Допустимый диапазон рабочих и кратковременных (если контакт длится не более 3 с) температур. Если температура объекта не укладывается в заявленный производителем датчика ПЭП диапазон, это приведёт к искажению результатов (хотя бы потому, что повлияет на угол ввода) и преждевременному разрушению контактной поверхности.
• Износостойкость рабочей поверхности. Фактический срок службы датчика зависит от прочности протектора, свойств контактной жидкости, температуры сканируемой поверхности и силы прижатия к ней. Конечно, при необходимости можно восстановить изношенную «подошву», приклеив специальную накладку, но на практике с этим заморачиваются не часто, так как проще взять новый датчик. Тем более что стоимость стандартных ПЭП не настолько высокая (средний ценовой диапазон – от 3000 до 7000 рублей).

Пьезоэлектрические свойства горных пород

Некоторые минералы горных пород обладают пьезоэлектрическим свойством за счёт того, что электрические оси этих минералов расположены не хаотично, а ориентированы преимущественно в одном направлении, поэтому одноимённые концы электрических осей («плюсы» или «минусы») группируются вместе. Это научное открытие было сделано в Институте физики Земли советскими учёными М. П. Воларовичем и Э. И. Пархоменко и занесено в Государственный реестр открытий СССР под № 57 с приоритетом от 1954 г. На основе этого открытия разработан пьезоэлектрический метод геологической разведки кварцевых, пегматитовых и хрусталеносных жил, которым сопутствуют золото, вольфрам, олово, флюорит и другие полезные ископаемые.

Общие сведения о пьезоэлектрических резонаторах

Пьезоэлектрические резонаторы являются пассивными компонентами радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и предназначены для использования в аналоговых цепях для стабилизации и выделения электрических колебаний определенной частоты или полосы частот.

В широкой области частот сопротивление пьезоэлектрических резонаторов имеет емкостный характер и только на некоторых частотах имеет резко выраженный резонанс, что определяет название компонента. Термин «пьезоэлектрический» показывает, что действие компонента основано на использовании пьезоэлектрических свойств материала, из которого изготовлен пьезоэлемент — основная деталь резонатора. Иногда пьезоэлектрические резонаторы определяют как прибор, представляющий одну или несколько электромеханических систем пьезоэлектрического типа. Такое определение пьезоэлектрического резонатора слишком общее и может быть распространено на большинство пьезоэлектрических приборов являющихся электромеханическими преобразователями, например телефон, микрофон, звукосниматель и др. Пьезоэлектрические резонаторы отличаются от указанных выше пьезоэлектрических приборов, являющихся электромеханическими преобразователями и имеющих соответственно электрический и механический вход и выход, тем, что имеют только электрические входы и выходы, т. е. рассматриваются как электрические двухполюсники или многополюсники. Для потребителей резонаторов механическая сущность происходящих в них явлений скрыта и может, казалось бы, не рассматриваться.

Основным электрическим параметром пьезоэлектрического резонатора является частота его резонанса, жестко фиксированная. Каких-либо устройств для ее изменения пьезорезонатор обычно не имеет.

Избирательный, резонансный характер сопротивления пьезорезонатора определяет области их применения — цепи частотной селекции различных радиотехнических устройств, преимущественно генераторов электрических колебаний высокой стабильности частоты и частотных фильтров большой избирательности.

2.4 Пьезоэлектрики – полимеры

Некоторые полимерные материалы в виде механически ориентированных и поляризованных в электрическом поле пленок являются полярными текстурами, в которых наблюдается пьезоэлектрический эффект. В настоящее время единственно выпускаемыми промышленностью пьезоэлектрическими полимерами являются поливинилденфторид (ПВДФ) и его сополимеры с трифторэтиленом и тетрафторэтиленом.

ПВДФ – частично кристаллический синтетический полимер с химической формулой (СН₂-СF₂)_n. Он производится в виде тонких пленок, растянутых вдоль плоскости пленки и поляризованных перпендикулярно этой плоскости для создания пьезосвойств.

Обработка ПВДФ для придания ему пьезосвойств (рисунок 55). В отлитой из расплава пленке полимера кристаллиты размером от десятков до сотен нанометров хаотически распределены между аморфными областями (вверху на рисунке). Растяжение полимерной пленки (в центре на рисунке) приводит к выпрямлению полимерных цепей в аморфных областях в плоскости пленки и способствует однородному вращению кристаллитов при наложении электрического поля. Поляризация по толщине пленки (например, с использованием осажденных металлических электродов) придает пленке пьезоэлектрические свойства (внизу на рисунке).

ПВДФ – эластичная полимерная пленка, которой можно придавать практически любую форму. У нее небольшое удельное сопротивление, что облегчает согласование с иммерсионной жидкостью. Радиальные колебания близки к нулю, механическая добротность очень низкая. Существуют пленки на очень высокие частоты (до 100 МГц).

Некоторые технические характеристики пьезоматериалов приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Технические характеристики пьезоматериалов.

Бред сумасшедшего.

Делай, что должен и будь, что будет!

Первое и главное. Пьезоэлемент не является источником энергии. Он всего лишь трансформатор механической и тепловой энергии в энергию электростатического поля. Ни больше ни меньше.

Что бы понять механизм работы пьезогенератора, пьезоэлемента(ПЭ) рассмотрим два его основных свойства. Это диэлектрическая проницаемость межэлектродного пространства и пьезо электрический модуль. Нас интересует только пьезо модуль по оси поляризации кристалла, все остальные модули не так важны. Они не вызывают создание поля.

Для прямого пьезоэффекта пьезомодуль имеет размерность «К/Н» (кулон:ньютон), а его величина, в зависимости от марки пьезокерамики, находится в интервале от 200 до 500 пикокулон/ньютон (10 -12 К/Н).

где D – это пьезо модуль (К/Н кулон/ньютон), g -заряд (К кулон), F сила в ньтонах приложенная по оси поляризации зарядов.

Пьезомодуль – это характеристика материала.

Это означает, что если мы изготовим пьезоэлемент из пьезокерамики с пьезомодулем, например, 240*10 -12 К/Н, то, какие бы ни были размеры пьезоэлемента, какой бы он ни был формы, каким бы образом ни прикладывали силу, то ли в точке, то ли она распределена по всей поверхности электрода, мы всегда получим на электродах заряд 240 пикокулон, если приложим силу 1 ньютон.

Напряжение на электродах можно посчитать по формуле.

U = g / C ; где U напряжение поля в вольтах, С емкость элемента в фарадах.

Легко проверить, что в этом примере, положив ёмкость равной 40 пикофарадам (это ёмкость пьезоэлементов пьезозажигалки), получим, что напряжение при силе 1Н будет равно 6В. Если действовать силой 1000Н, получим 6 кВ.

2. Какова мощность разряда пьезоэлемента? Сделать точный расчёт крайне затруднительно, да и не имеет смысла, а оценить порядок величины любопытно. Мощность тока искры это квадрат напряжения, делённый на сопротивление разрядного промежутка. Напряжение, конечно, меняется за время существования разряда от 3000 вольт до, почти, нуля.. Поэтому возьмём среднее значение 1500 вольт Но какое же сопротивление у разрядного промежутка? Мы его грубо оценим в 1 Ом, так как было замечено, что увеличение сопротивления токовода до 1 Ома уменьшает яркость искры. Теперь делаем расчёт.

P = U * U / R =1500*1500/1=2250000 ватт=2,25 мегаватт

3. Какова энергия, потраченная на искровой разряд? Это энергия электрического поля пьезоэлемента. Вычислим её по формуле:

W = CU * U /2 в Джоулях;

Мы знаем, что ёмкость С равна 40 пФ, а напряжение U к началу пробоя 3000 вольт. Рассчитываем энергию W=40*10^(-12)*3000*3000/2=180*10^(-6)=18 0 микро Джоулей.

Посчитаем то же самое для 1500 вольт, среднего значения напряжения пробоя. Оно равно 45 микро Джоулей.

Определим время за которое произойдет разряд:

T =2* R * C =2*1 Ом*40 пФ=80 пикосекунд,

Разделив работу тока на время его протекания, получим следующее значение мощности:

P = W / T =180 микро Джоулей/80 пикосекунд=2250 киловатт.

4. Каков кпд пьезогенератора зажигалки?

Сила линейно меняется от 0 до 500 Ньютон.. Её легко измерить с помощью бытового безмена. В расчёте следует взять среднее значение (250Н). Умножив 250Н на 0,002м получим 0,05 дж. Тогда кпд будет равен 0,03% Возникает вопрос АЧЁ так мало?

5. Посчитаем силу тока.

I = g / T ; g = C * U ; I = C * U / T =40пикофарад*3000вольт/80 пикосекунд=1500Ампер.

Это довольно таки крутой фронт, и по всем законам в момент образования ионизированного канала газа по которому заряды стекают, нейтрализуют локальную напряженность кристалла. Электро сопротивление фидерного канала на порядок ниже сопротивления меди, следовательно большой толшины ионизированного газа не будет. Толщина стримера микроны и объем ионизированного газа минимален.

Индуктивность стримерного промежутка не известна, да не суть важна, она минимальна и практически примем постоянной не дефференцируемой величиной.

Тогда энергия магнитного поля W = L * I * I /2, за промежуток 80 пикосекунд вырастет 2.25 миллиона раз, так как ток у нас идет в квадрате.

Неслабая такая искорка)

Она тратит меньше 1/10000 мощности на ионизацию, а остальное переводится в энергию магнитного поля.

А все ли помнят мопед трындящий под окном без искрозащиты?

Когда ни телек ни радио не работает)))))))

Ни чего не исчезает бесследно. Просто мы не умеем использовать энергию кристала на полную мощность, вот и будем всю сознательную жизнь топить свои печки буржуйки ассигнациями.

Обратный пьезоэлектрический эффект

Обратный пьезоэлектрический эффект ( см. также § 91) — это возникновение деформации в вырезанной определенным образом кварцевой пластинке ( в последнее время вместо кварца применяется титанат бария) под действием электрического поля.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в растяжении или сжатии этих кристаллов, помещенных в электрическом поле.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект наблюдается, когда пьезоэлектрический кристалл помещают в электрическое поле. Этот эффект состоит в том, что под воздействием электрического поля геометрические размеры пьезоэлектрического кристалла изменяются.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект характеризуется тем, что пьезоэлектрическая пластинка, внесенная в электрическое поле, изменяет свои размеры в соответствии с напряженностью и направлением этого поля.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект используется для измерения больших или быстроизменяю-щихся давлений, в частности, для изучения ультразвуковых колебаний; электрическое напряжение, которое появляется на гранях деформируемого кристалла, усиливается и затем подается к измерительным приборам.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в возникновении механического напряжения в кристалле под действием приложенного к нему электрического поля.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект ( см. также § 91) — это возникновение деформации в вырезанной определенным образом кварцевой пластинке ( в последнее время вместо кварца применяется титанат бария) под действием электрического поля.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что пластинка, вырезанная определенным образом из кристалла кварца ( или другого анизотропного кристалла), под действием электрического поля сжимается или удлиняется в зависимости от направления поля. Если поместить такую пластину между обкладками плоского конденсатора, на которые подается переменное напряжение, то пластина придет в вынужденные колебания. Эти колебания приобретают наибольшую амплитуду, когда частота изменений электрического напряжения совпадает с частотой собственных колебаний пластины. Колебания пластины передаются ча-стицам окружающей среды ( воздуха или жидкости), что и порождает ультразвуковую волну.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в возникновении механического напряжения в кристалле под действием приложенного к нему Электрического поля.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект ( изменение размеров пьезокварца в электрическом поле) представляет собой частный случай более общего явления электрострикции — изменения размеров твердых и жидких диэлектриков при электрической поляризации.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект используется для измерения больших или быстроизменяющихся давлений, в частности для изучения ультразвуковых колебаний; электрическое напряжение, которое появляется на гранях деформируемого кристалла, усиливается и затем подается к измерительным приборам.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в растяжении или сжатии этих кристаллов, помещенных в электрическом поле.
 

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в возникновении механических напряжений и деформаций в кварцевой пластине, помещенной в электрическое поле.
 

Принцип работы пьезоэлектрического преобразователя

1. Дефектоскоп (электронный блок) подаёт на пьезопластину датчика электрический сигнал, под действием которого та деформируется (образуется зондирующий импульс). Происходит так называемый обратный пьезоэффект.
2. В результате этой деформации происходит смещение пьезоэлемента, колебания которого передаются в объект контроля. Частота этого колебательного процесса зависит от толщины пьезопластины. Чем она толще, тем меньше частота.
3. При наличии несплошности колебания отражаются от неё, возвращаются на пьезопластину и вновь деформируют её (прямой пьезоэффект), вследствие чего на электронный блок дефектоскопа поступает электрический сигнал. Его можно наблюдать на дисплее прибора. Чем больше площадь (ширина раскрытия) и глубина залегания дефекта, тем больше амплитуда эхо-сигнала и тем правее он расположен на развёртке (тем больше времени нужно, чтобы сигнал дошёл). При этом самый крайний сигнал называется донным (а расстояние между ним и зондирующим импульсом – это и есть толщина объекта). Разумеется, пока генерируется зондирующий импульс, пластина деформирована и потому не всегда способа принимать обратные колебания. Чем ближе дефект к поверхности, тем короче путь эхо-сигнала и тем выше вероятность, что он просто затеряется на фоне шумов. Минимальное расстояние (и время прохождения сигнала) от поверхности до несплошности, при котором обеспечивается чёткая идентификация эхо-сигнала, называется мёртвой зоной. У разных пьезоэлектрических преобразователей она разная, и чем она меньше, тем лучше, так как это позволяет выявлять дефекты у самой поверхности.
4. Дефектоскоп измеряет время прохождения сигнала до несплошности и обратно. Умножая это значение, разделённое на «2», на заранее выбранную скорость распространения УЗ-сигналов (задаётся оператором в зависимости от материала), прибор тем самым определяет расстояние от поверхности до дефекта, то есть глубину его залегания.