Как работает пьезоэлемент

Пьезоизлучатели

Основу конструкции пьезоизлучателей составляют пьезокерамические преобразователи. Различают пьезоизлучатели, служащие для генерации звука слышимого диапазона и ультразвука.

Пьезоизлучатели звука широко применяются в телефонных аппаратах, часахбудильниках, микрофонах, бытовой технике, офисном оборудовании (ноутбуки, принтеры и др.), системах аварийной, противопожарной и охранной сигнализации, электронных игрушках.

Они также используются в охранных целях в качестве источников зашумления, обеспечивающих защиту от утечки речевой информации в помещениях путем создания заградительного шума. При этом становится возможным нейтрализовать как непосредственное подслушивание в условиях плохой звукоизоляции помещения, так и подслушивание, осуществляемое с помощью специальных технических средств: микрофонов, установленных в полостяхе снт , в надпотолочном пространстве, вентиляционных коробах и т.п.; стетоскопов, установленных в стенах, потолках или полах, а также в трубах водо- (тепло-, и газо-) снабжения и т.п.; лазерных и микроволновых систем съема аудиоинформации с окон и элементов интерьера.

Одним из эффективных применений пьезоизлучателей звука является создание звуковых индикаторов, предназначенных для повышения безопасности вождения автомобилей, особенно в ночное время. Такие устройства препятствуют засыпанию водителя во время движения. Благодаря специальной конструкции их можно закреплять за ухом, так что при глубоком наклоне головы (в момент засыпания) они включатся, генерируя громкий сигнал, который мгновенно будит водителя.

Пьезоизлучатели ультразвука получили большое распространение, прежде всего, благодаря особенностям воздействия ультразвука на различные вещества. В частности, пьезкерамические преобразователи играют роль активных элементов в ультразвуковой (УЗ) аппаратуре, предназначенной для обработки жидких и жидкодисперсных сред (рис. 1.15). При этом под действием ультразвука в этих средах интенсифицируются процессы диспергирования, экстракции, растворения, кристаллизации, очистки, гомогенизирования и др. Разновидностью такой аппаратуры, используемой в быту, являются ультразвуковые стиральные машины.

Рис. 1.15. Ультразвуковые колебательные системы на основе пьезокерамических преобразователей для воздействия на жидкие среды

Подобного рода ультразвуковая аппаратура широко используется для мелкодисперсного распыления жидкостей, например, при сушке кофе, молока, молочных продуктов, растительных лекарственных препаратов, полировальных составов в электронной промышленности.

Важная область применения ультразвуковых пьезоизлучателей – медицина.

В терапии используются разнообразные аппараты, действие которых основано на явлениях, возникающих в биологических тканях при прохождении через них ультразвуковых волн, а именно: локальный нагрев тканей в результате поглощения ультразвука, эффекты физикохимического характера, инициированные ультразвуком, и т.п. (рис. 1.16).

Рис. 1.16. Рабочие наконечники блока ультразвуковой терапии

В хирургии используются непосредственный контакт ультразвукового излучателя с тканью, а также воздействие на ткани фокусированным ультразвуком, что особенно эффективно для создания локальных разрушений в тканях организма.

В стоматологической практике получили распространение ультразвуковые инструменты для механической обработки поверхностей зубов.

Ультрозвуковая аппаратура применяется для приготовления экстрактов из растительного сырья, приготовления кремов, мазей и других лекарственных препаратов.

Одним из хорошо известных применений ультразвуковых пьезоизлучателей является создание устройств отпугивания грызунов и насекомых, которые не переносят действие ультразвуковых колебаний и покидают места своего обитания.

Просмотров:
1 010

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.

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 называетсяпрямым 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.


Рисунок 1 – Элементарная ячейка цирконата титоната свинца (ЦТС) при температуре выше точки Кюри (слева) и при температуре ниже точки Кюри (справа)

Здесь можно кратко пояснить пьезоэлектрический эффект

на примере титаната бария, часто применяемой пьезоэлектрической керамики со сравнительно простой конструкцией элементарной ячейки. Титанат бария ВаТiO3, как и многие другие пьезокерамические вещества, аналогичен по структуре перовскиту (СаТiО3), по которому и назван этот класс материалов. Элементарная ячейка при температурах выше, критической, которая называется также точкой Кюри, является кубической. Если температура ниже этой критической, то элементарная ячейка тетрагонально искажается по направлению к одной из кромок. В результате изменяются и расстояния между положительно и отрицательно заряженными ионами (рисунок 1, для ВаТiO3 вместо Pb — Ba). Смещение ионов из их первоначального положения очень мало: оно составляет несколько процентов параметра элементарной ячейки. Однако такое смещение приводит к разделению центров тяжести зарядов внутри ячейки, так что образуется электрический дипольный момент. По энергетическим условиям диполи соседних элементарных ячеек кристалла упорядочиваются по областям в одинаковом направлении, образуя так называемые домены.


Рисунок 2 – Неупорядоченная поляризация (слева) и упорядоченная поляризация доменов при наложениии сильного электрического поля (справа)

Направления поляризации доменов распределяются в поликристаллической структуре по статическому закону. Таким образом, неупорядоченные скопления отдельных микрокристаллов в структуре вещества, образующиеся только в спеченной керамики, в макроскопическом смысле вообще не могут давать никакого пьезоэлектрического эффекта. Только после так называемого процесса поляризации, в котором при наложении сильного электрического поля на керамику происходит выравнивание возможно большего числа доменов параллельно друг другу, удается использовать пьезоэлектрические свойства элементарных ячеек. Поляризация обычно проводится при температуре немного ниже температуры Кюри, чтобы облегчить ориентацию доменов. После охлаждения это упорядоченное состояние остается стабильным.

Современные средства проектирования позволяют рассчитать / промоделировать отдельно пьезоэлемент или пьезоэлектрический преобразователь целиком. По согласованию с Инженерными решениями Вы можете заказать расчет парметров пьезоэлектрического преобразователя

Механическое сжатие или растяжение, действующее на пьезоэлектрическую пластину параллельно направлению поляризации, приводит к деформации всех элементарных ячеек. При этом центры тяжести зарядов взаимно смещаются внутри элементарных ячеек, которые расположены теперь преимущественно параллельно, и в результате получается заряд на поверхности .

расчет

Макроскопическое описание в контексте механики сплошных сред показано ниже. Учитывается только линейное приближение между рассматриваемыми размерами. Нелинейные эффекты, такие как электрострикция , здесь не учитываются.

геометрия

Определение направлений осей

Система координат выбрана для описания пространственно различных свойств . Для индексации обычно используется система координат x, y, z, оси которой обозначены цифрами 1, 2, 3 (ось 3 соответствует оси поляризации). В настриг шерсти на этих осей пронумерованы 4, 5, 6. На основании этих осей, пьезоэлектрические свойства выражаются в уравнениях с тензорами .

Уравнения

Простейшие уравнения пьезоэффекта содержат поляризацию P pz (единица [Кл / м²]) и деформацию S pz ( безразмерная величина ):

П.пzзнак равноd⋅Тзнак равное⋅С.{\ Displaystyle P_ {pz} = d \ cdot T = e \ cdot S}
С.пzзнак равноd⋅Э.{\ Displaystyle S_ {pz} = d \ cdot E}

где d, e — пьезоэлектрические коэффициенты, E — напряженность электрического поля (В / м), а T — механическое напряжение (Н / м²). Первое уравнение описывает прямой, второе — обратный пьезоэффект.

Пьезоэлектрические коэффициенты описываются трехступенчатыми так называемыми пьезоэлектрическими тензорами . С одной стороны, у вас есть:

коэффициенты пьезоэлектрических искажений (реакция искажения на электрическое поле)

dяj,kзнак равно∂С.яj∂Э.k{\ displaystyle d_ {ij, k} = {\ frac {\ partial S_ {ij}} {\ partial E_ {k}}}}; с другой стороны

коэффициенты пьезоэлектрического напряжения (реакция механического напряжения на электрическое поле)

еяj,kзнак равно∂Тяj∂Э.k{\ displaystyle e_ {ij, k} = {\ frac {\ partial T_ {ij}} {\ partial E_ {k}}}}

Два коэффициента могут быть связаны с упругими постоянными :

еяj,kзнак равно∑лм(С.яjлм⋅dлм,k){\ displaystyle e_ {ij, k} = \ sum _ {lm} \ left (C_ {ijlm} \ cdot d_ {lm, k} \ right)}

Эффекты второго порядка (обратный пьезоэффект) описываются коэффициентами электрострикции .

Пример структуры матриц коэффициентов для класса кристаллов 4мм , к которому также принадлежит ЦТС

Приведенные выше тензоры обычно переписываются в матричной форме ( нотация Фойгта ). Это дает матрицы с шестивалентными компонентами, которые соответствуют определению оси, показанному выше. Затем пьезоэлектрические эффекты описываются двумя связанными уравнениями, в которых вместо поляризации используется диэлектрическое смещение D.

Д.знак равноd⋅Т+εТ⋅Э.{\ displaystyle D = d \ times T + \ varepsilon ^ {T} \ times E}
С.знак равноsЭ.⋅Т+d⋅Э.{\ Displaystyle S = s ^ {E} \ times T + d \ times E}
εТ{\ Displaystyle \ varepsilon ^ {T}} Диэлектрическая проницаемость при постоянном механическом напряжении
sЭ.{\ displaystyle s ^ {E}} Константа упругости при постоянной напряженности электрического поля

Обычно элементы этих уравнений суммируются в матрице связи. Наиболее важным параметром материала для обратного пьезоэффекта и, следовательно, для исполнительных механизмов является постоянная пьезоэлектрического заряда d. Он описывает функциональную взаимосвязь между напряженностью приложенного электрического поля и создаваемой им деформацией. Характерные размеры пьезоэлектрического преобразователя различны для разных направлений воздействия.

Слева: перекрестный эффект. Справа: продольный эффект

В области приводов важны два основных эффекта. Для этих двух эффектов уравнение разложения упрощается следующим образом

  1. Пьезоэлектрический поперечный или поперечный эффект ( эффект d 31 ). Механическая сила действует поперек приложенного поля.
    С.1знак равноs11Э.⋅Т1+d31 год⋅Э.3{\ Displaystyle S_ {1} = s_ {11} ^ {E} \ cdot T_ {1} + d_ {31} \ cdot E_ {3}}
  2. Пьезоэлектрический продольный или продольный эффект ( эффект d 33 ). Механическая сила действует параллельно приложенному полю.
    С.3знак равноs33Э.⋅Т3+d33⋅Э.3{\ Displaystyle S_ {3} = s_ {33} ^ {E} \ cdot T_ {3} + d_ {33} \ cdot E_ {3}}

Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь

Этот прибор устроен таким образом, что не требует дополнительных настроек. Он снабжен блоком памяти, который выдает технический результат. Относится к контрольно-измерительным аппаратам. Подобные устройства отличаются по типу, техническим характеристикам, которые составляются на основе данных о конструкции и предназначении с минимальными погрешностями. Все требования учитываются на основе конструкции.

Для всех подобных аппаратов предусмотрена стандартная схема создания: дефектоскоп, корпус, электроды, главный элемент, который скрепляют с основанием, жила, фольга и другие материалы. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь является полезной моделью. Он позволяет получать данные непосредственно с помощью звука, установленного на основании устройства.

Использование пьезоэлемента для других целей

  • в качестве источника высокого напряжения в опытах по физике,
  • для вывода из строя домашней электроники ( это уже хулиганство!), щелкнув несколько раз по металлическим разъемам техники , мало вероятно, что кто-то догадается в чем причина поломки, так как это будет выглядеть как пробой,
  • умельцы могут сделать магнитную пушку. Вот пример изготовления минипушки:

ОСТОРОЖНО! Не направлять в лицо, не стрелять в людей!

Необходимые материалы для изготовления минипушки:1. любая бутылка

2. корпус шариковой ручки

3. пьезоэлемент из старой зажигалки4. термоклей5. ножницы6. спрей для волос

Шаг 1: Берем ручку и вынимаем колпачки с 2—ух сторон.

Шаг 2: Собираем минипушку.

Сначала берем бутылку от лекарства и делаем отверстие для того чтобы вставить

туда корпус авторучки, далее с использованием термоклея делаем соединение

герметичным.

Затем ножницами делаем два отверстия в боковой части бутылки из—

под лекарства, там будут проходить провода пьезоэлемента.

Затем помещаем пъезолемент с проводами в отверстия, приклеиваем

с использованием термоклея пьезоэлемент и провода к бутылке.

Шаг 3: Испытания.Берем спрэй для волос и распыляем 2 раза по 2— сек. внутрь бутылки.

Сделаем небольшие пульки из скатанных бумажек и помещаем их внутрь емкости.

Далее нажимаем на кнопку пьезоэлемента

и наши бумажные пульки отлетают на достаточное расстояние!

Также вы можете посмотреть и видео изготовления минипушки:

неоновый фонарик: при подсоединении контактов зажигалки к неоновой лампе, после запуска искры — реально увидеть, как в лампе происходят разряды тока и разгорание лампы. Видео:

  • можно вывезти из строя домофон ( лучше не портить общественное имущество!),
  • можно сделать минишокер, сняв предварительно защиту,

Настоящего электрошокера сделать не получится, а вот подшутить над одноклассниками — вполне реально.

Как сделать слабый шокер своими руками в домашних условиях с использованием пьезоэлемента?

Еще один способ изготовления мини электрошокера, для этого потребуется:— пьезоэлемент (вынутый из зажигалки),— металлическая ручка,— фольга,— пассатижи.

Разбираем ручку, все детали ручки должны быть металлические. Выводной провод тока пьезоэлемента подкручиваем и вставляем в стержень пасты. И далее собираем, как показано на видео.А дальше можете подшутить над другом — предложить ему попользоваться вашей ручкой.Ток будет слабым, а эффект от неожиданности — очень сильным!

  • можно попробовать сделать микросварку,
  • можно искрой нанести надписи,
  • можно сделать устройство активной охраны.

Удачных вам экспериментов, друзья.

Преимущественные характеристики устройств

  • простота конструкционной сборки;
  • габариты;
  • надежность;
  • преобразование напряжения механики в электрический заряд;
  • переменные величины, которые можно быстро измерить.

В случае с материалом вроде кварца, который близок к идеальному состоянию тела, преобразование механики в заряд электрики возможно с минимальной погрешностью от -4 до -6.

Однако развитие высокоточной техники улучшило способность реализовать точность без потерь.

В результате можно прийти к выводу, что для измерителей сил, давления и прочих элементов наиболее подходящими являются пьезоэлектрические преобразователи.

ПЭП ускорения имеет следующую конструкцию:

  • все материалы крепятся к титановому основанию;
  • два одновременно включенных пьезоэлемента из кварца;
  • высокоплотная инерционная масса предназначена для минимальных габаритов;
  • снятие сигнала посредством латунной фольги;
  • она, в свою очередь, соединена с кабелем, который припаивается;
  • датчик закрыт крышкой, навинченной в основании;
  • чтобы укрепить измеритель на объекте, нарезают резьбу.

Механизм действия пьезоэлемента

Основа здесь — это блок пьезоэлемента, который отправляет от кнопки силу давления на сам пьезоэлемент. Основная составляющая пьезоэлемента — пьезокристалл. Это пластинка, вырезанная из кварцевого кристалла. Ее функция — механическую деформацию превращать в электрическое напряжение. Пластинка очень твердая, способна выдержать значительные изгибы и сжатия и выдавать высокое напряжение.При плавном нажатии на кристалл, выдаваемое напряжение будет невелико, но оно будет длительным. При нажатии на кристалл с той же силой, но быстро и мгновенно — выдаваемое напряжение сильнее, но оно будет моментальным.Поэтому для создания искры в пьезозажигалке используется это свойство кристалла. Для изменения силы удара с плавного на резкий в зажигалке имеется механизм: упругая пружина, которая находится под кнопкой пьезозажигалки. Нажимая на кнопку — сжимается и пружина. После нажатия на кнопку до конца — пружина отодвигает рычажок, на который она опирается. После этого пружина резко распрямляется. На другом конце пружины расположен металлический молоточек, который при раскрытии пружины с огромной скоростью ударяет в кристалл. На обратной стороне кристалла имеется металлическая подкладка, которая не дает кристаллу сдвинуться от движения молоточка.В результате получается мгновенный и сильный удар по кристаллу, который вызывает искру.Пьезоэлемент из зажигалки: что можно сделать? Умельцы научились применять его в ремонте (точнее, в «убийстве») смартфонов или мобильных телефонов. Сразу же появляется логичный вопрос: а зачем индивиду со здоровой нервной системой ломать свой смартфон? Ситуация может быть разной. Кто-то желает сдать телефон по гарантии, так как он ему уже разонравился. Кто-то просто решил приколоться над дружком.

Электроподжиг постоянно щелкает после мытья газовой плиты

При постоянных щелках плиты – это вызывает некоторые опасения. Если вы заметили этот дефект после того, как вымыли плиту, одной из наиболее распространенных причин, по которой розжиг «заедает», может стать влага. Она могла запросто попасть во время мытья плиты и характерным признаком этого является то, что варочная панель начала щелкать. Если это описывает вашу проблему, значит поломка действительно в этом. При попадании капель жидкости на клавишу включения, электроцепь может замкнуться и из-за этого искра идет постоянно. Стоит отметить, что кнопка бывает отдельной или встроенной в регулирующую ручку. Простым вариантом решения проблемы является ожидание. Дождитесь, когда плита полностью высохнет. Когда щелчки вызывают раздражение или пугают, достаточно полностью выключить плиту, вынув вилку из розетки. Чтобы плита высохла внутри, для этого достаточно пары часов.

Самое сложное решение – разобрать кнопку электроподжига и ликвидировать влагу. Увы, для многих варочных панелей необходимо снять крышку и чуть ли не полностью разобрать технику. Этот вид работ лучше доверить мастеру или изучить рекомендации специалистов о том, как разобрать газовую плиту.

Альтернативный источник энергии посредством преобразователей

Одним из знаменитых и неисчерпаемых средств получения электричества является энергия волн. Такие станции монтируют непосредственно в водную среду. Это явление связано с солнечными лучами, которые нагревают массу воздуха, благодаря чему возникают волны. Вал данного явления имеет энергоемкость, которая определяется по силе ветра, ширине воздушных фронтов, продолжительности порывов.

Значение может колебаться на мелководье или достигать 100 кВт на один метр. Пьезоэлектрический преобразователь энергии волн работает по определенному принципу. Уровень воды поднимается посредством волны, в процессе воздух выдавливается из сосуда. Затем потоки пропускаются реверсирующейся турбиной. Агрегат вращается по определенному направлению, вне зависимости от движения волн.

Этот аппарат имеет положительную характеристику.

До сегодняшнего дня совершенствование конструкции не прогнозируется, потому что эффективность и принцип работы доказаны всеми существующими путями.

В процессе технического прогресса, возможно, будут построены плавучие станции.

Причина самостоятельного срабатывания электроподжига

Различают 2 варианта авторозжига: от электросвечи и от пьезоэлемента. Рассматривать ситуации, как работает пьезоэлемент при подобных неисправностях, не будем. Такая поломка требует полной замены всего узла поджога. Но причин, почему щелкает электроподжиг, действительно очень много, помимо всех перечисленных. Все это можно устранить с минимальными потерями.

1.Попадание влаги в кнопку. В основном это может случить после промывки техники. В целом, для любой плиты с электроподключением имеется защита от влаги. Но в том случае, когда жидкость все же попадает на модуль, может произойти замыкание цепи. Искры из всех конфорок — это характерный признак.

2.Попадание грязи в розжиг. При постоянном попадании жира, еды и прочей грязи на важные узлы, со временем это все начинает налипать на проводах и контактах. Как результат, из-за этого кнопка «залипает», при нажатии кнопка не возвращается в исходное положение и начинает щелкать просто так.

3.Износ детали. Залипания розжига может происходить, даже если на нем отсутствует спай, нагар или мусор. Для тех, кто пользуется плитой больше 10 лет и внезапно вы заметили, что электроподжиг газовой плиты не выключается. Пришло время обратиться к специалисту для замены узла авторозжига. Самой уязвимой к подобным неисправностям считается техника Zanussi и Kaiser.

4.Поломки комплектующих. Система поджога имеет несколько составляющих, каждая из которых не защищена от поломок и может стать причиной щелчков и искр из горелки.

Технические характеристики пьезокерамического датчика

При определении пьезоэффекта важно понимать поведение кристаллов. Они могут работать от продольных или поперечных сил, и нечувствительны к электрическим полям и электромагнитному излучению

Они создают линейный отклик в очень широком диапазоне температур, что делает их идеальными измерительными устройствами для работы в суровых климатических условиях.

Основные характеристики пьезоэлектрических датчиков:

  1. Широкий диапазон измерения, могут определять давление от 0.7 кПа до 70 МПа.
  2. Чувствительность (S): характеризует изменения выходного сигнала ∆y к сигналу, вызвавшему изменение ∆x: S = ∆y/∆x.
  3. Надежность — способность ПД сохранять характеристики в определенных пределах в заданных условиях эксплуатации.
  4. Значение импеданса ≤500 Ом.
  5. Диапазон температур от −20 °C до + 60 °C.
  6. ПД имеют очень низкую температуру пайки.

Пьезокерамический датчик обладает рядом преимуществ, таких как:

  1. Высокой частотной характеристикой, что обеспечивает обнаружение даже слабых сигналов и в короткие промежутки времени.
  2. Высокая переходная характеристика — они могут обнаруживать события в микросекундах, а также выдавать линейный выходной сигнал.
  3. Высокая мощность, измеряемая электронной схемой.
  4. Небольшие размеры и прочная конструкция.

К недостаткам таких ПД относится их повышенная чувствительность к колебаниям температуры, что требует применения специальных кабелей и систем усиления.

Поскольку применения таких ПД в промышленности требует от них точности измерения, систему усиления сигнала моделируют под каждый измеряемый параметр. Например, если технологическое давление изменяется в широком диапазоне, предпочтительным выбором являются датчики давления с хорошей линейностью и низким гистерезисом.

Колебания окружающей температуры и температуры процесса вызывают ошибки в измерениях давления, особенно в среде с низким показателем или небольшим его перепадом. В таких случаях используют термокомпенсаторы.

Особенности конструкции пьезоэлектрической форсунки

Рычажный мультипликатор

Особенность пьезопривода заключается в том, что его рабочий элемент сжимается всего на 0,04 мм, а для полного открытия иглы клапана необходимо минимум 0,1 мм. Для решения данной проблемы между иглой клапана и пьезоприводом монтируется рычажный мультипликатор, имеющий нужное передаточное отношение. В момент подачи напряжения мультипликатор приводится в действие от нажимной пластины, обеспечивая передвижение иглы на необходимые 0,1 мм.

Пружина форсунки

Пружина — важная часть конструкции пьезоэлектрической форсунки. В специально предусмотренной полости находится пружина, контролирующая посадку иглы распылителя в седло. Пружина выполняет и еще одну ответственную функцию — предотвращает чересчур раннее открытие форсунки при впрыске топлива в самой первой фазе (в конце такта сжатия). Сгогласно принципу послойного впрыска для разных фаз требуются разное усилие давления на иглу клапана.

Обратный клапан

Конец каждой фазы впрыска сопровождается удалением из форсунки неиспользованных излишков топлива. На сливе установлен дроссель, снабженный обратным клапаном. Если поток сливаемого топлива ослабевает, то снижается и давление перед дросселем. Обратный клапан закрывается для сохранения давления в области расположения иглы для очередной фазы впрыска.

Схема современного электрического розжига

Именно электрический розжиг с участием свечей применяется во всех моделях повышенной комфортности, схемы при этом используются разные, но основа у них идентичная. Запитывание всегда происходит от стандартной электрической сети с напряжением 220 В. Принцип действия схемы понятен будет только специалистам — так много там специфических названий типа резисторы, первичные и вторичные обмотки трансформатора или индукционных катушек.

Пользователям достаточно знать, что при повороте переключателя одновременно происходит замыкание электрической цепи, пусковая свеча создает только на той конфорке, где открыт доступ газу. Домашние мастера могут познакомиться с подробной схемой установленного розжига в инструкции по эксплуатации.

Производство пьезоэлементов

Большинство составов пьезокерамики основано на химических соединениях с формулой АВО3 (напр., BaTiO3, РbТiO3) с кристаллической структурой типа перовскита и различных твёрдых растворов на их основе (например, системы BaTiO3 — CaTiO3, BaTiO3 — CaTiO3 — CoCO3, NaNbO3 — KNbO3). Особенно широко используются в качестве пьезоэлектрических материалов составы системы РbТiO3 — PbZrO3 (т. н. система PZT, или ЦТС). Практический интерес представляет также ряд соединений с формулой АВ2О6, напр. PbNb2O6, имеющих весьма высокую Кюри точку (~570 °С), что позволяет создавать пьезоэлементы для работы при высоких температурах.

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 .

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.