Что такое пьезоэлектрический эффект

Описание и свойства [ править | править код ]

Пьезоэлектрики — кристаллы (пьезокристаллы), которые обладают (наделены) свойством при сжатии продуцировать электрический заряд (прямой пьезоэффект) или обратным свойством под действием электрического напряжения изменять форму: сжиматься/расширяться, скручиваться, сгибаться (обратный пьезоэффект).

Пьезоэлектричество открыто братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880—1881 гг.

Исполнительные устройства — конвертируют электрическую энергию в механическую.

Сенсоры (датчики, генераторы), наоборот, конвертируют механическую энергию в электрическую.

Существуют однослойные, двухслойные и многослойные пьезокристаллы.

Однослойные — под воздействием электричества изменяются в ширину, длину и толщину. Если их растянуть или сжать, они генерируют электричество.

Двухслойные — могут быть использованы как однослойные, могут сгибаться или удлиняться. «Сгибатели» создают наибольшую величину перемещения относительно других видов, а «расширители», будучи более упругими, развивают гораздо большее усилие при гораздо меньшем перемещении.

Многослойные — развивают наибольшую силу при минимальном перемещении (изменении формы).

Что ждет пьезоэлектрические материалы будущем?

Практическое использование пьезоэффекта

Пьезоэлементы большой мощности – Все об электричестве

Пьезоэлектрический эффект

Свойства и характеристики веществ, обладающих пьезоэффектом

Так как поляризация происходит только во время упругой деформации, важной характеристикой пьезоматериала является его способность изменять форму под действием внешних сил. Величину этой способности определяет упругая податливость (или упругая жесткость). Кристаллы, обладающие пьезоэффектом, обладают высокой упругостью – при снятии усилия (или внешнего напряжения) они возвращаются к первоначальной форме

Кристаллы, обладающие пьезоэффектом, обладают высокой упругостью – при снятии усилия (или внешнего напряжения) они возвращаются к первоначальной форме.

Также пьезокристаллам присуща собственная механическая резонансная частота. Если заставить кристалл колебаться на этой частоте, амплитуда будет особенно большой.

Так как пьезоэффект проявляют не только целые кристаллы, а и пластины из них, нарезанные с соблюдением определенных условий, то можно получать куски пьезовеществ с резонансом на различных частотах – в зависимости от геометрических размеров и направления реза.

Также колебательные свойства пьезоэлектрических материалов характеризует механическая добротность. Она показывает, во сколько раз возрастает амплитуда колебаний на резонансной частоте при равной приложенной силе.

Существует явная зависимость свойств пьезоэлектрика от температуры, которую надо учитывать при использовании кристаллов. Эту зависимость характеризуют коэффициенты:

• температурный коэффициент резонансной частоты показывает, насколько уходит резонанс при нагревании/охлаждении кристалла;
• температурный коэффициент расширения определяет, насколько изменяются линейные размеры пьезопластины при изменении температуры.

При определенной температуре пьезокристалл теряет свои свойства. Этот предел называется температурой Кюри. Эта граница индивидуальна для каждого материала. Например, для кварца она составляет +573 °C.

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 .

Основные плюсы и особенности плит с электроподжигом

Многие потребители привыкли использовать спички или зажигалки для розжига своих старых, но до сих пор довольно надежных изделий из прошлого века. Сегодня практически все модели современных газовых плит оборудованы механическим или автоматическим устройством розжига, поэтому устаревший метод считается рудиментом. Покупатели должны знать, что эта функция на конечную стоимость изделия не влияет.

Среди достоинств плит с электрическим розжигом специалисты отмечают следующие нюансы:

1. Теперь пользователю не надо покупать спички с запасом или искать надежную зажигалку, которая может функционировать долгое время — пользоваться такой плитой намного удобнее.
2. Автоматика розжига защищает вас от возможного ожога при вспыхивании газа.
3. Если пользователь долгое время эксплуатировал электрическое аналогичное изделие, то привыкание к управлению газовой плиты с автоматикой розжига будет быстрым.

Из негативных качеств имеется только одно: при внезапном отключении света, что в некоторых регионах России происходит довольно часто, вы не сможете зажечь газ, эта функция без напряжения в сети не работает, поэтому коробок спичек должен лежать в запасе.

Особенности приборов, измеряющих вибрации

Чтобы увеличить чувствительность измерительного прибора, необходимо применить пьезоэлементы с высоким модулем. Этот материал укладывают параллельно в ряд и соединяют металлическими прокладками и пластинами. Для подобного эффекта еще могут применяться вещества, которые работают на изгиб. Однако они имеют низкую частоту и уступают механике сжатия.

Материал может быть биморфным, его обычно собирают последовательно или параллельно, все зависит от положительно расположенных осей. Как правило, это две пластины. Если учитывать нейтральный слой, то над ним вместо пьезоэлемента может использоваться накладка из металла со средней толщиной.

Чтобы измерить сигналы, которые двигаются достаточно медленно, необходимо сделать следующее:

• пьезопреобразователь включают в автогенератор;
• кристалл находится на резонансной частоте;
• как только произойдет нагрузка, показатели изменятся.

Сегодня пьезоакселерометры – усовершенствованные приборы, которые могут быть высокочастотными, с сильной чувствительностью.

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 .

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 .

Ультразвук Преобразователи Проектирование

Ranier Clement Tjiptoprodjo. On a Finite Element Approach to Modeling of Piezoelectric Element Driven Compliant Mechanisms.- Saskatchewan, Canada.: University of Saskatchewan Saskatoon, April 2005
Й.Крауткремер, Г.Крауткремер. Справочник. Ультразвуковой контроль материалов.-Москва.: Металлургия, 1991.
David H. Johnson. Simulation of an ultrasonic piezoelectric transducer for NASA/JPL Mars rover.- PA, USA.: Cybersonic, Inc. of Erie, 2003.
www.piezo.com
ОСТ 11 0444-87 «Материалы пьезокерамические»
Tokin. Multilayer Piezoelectic Actuators. User’s Manual, Tokin Corporate Publisher.: 1996.
Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Т.I. Механика.- Москва.:1979.
Голямина И.П. Ультразвук.-Москва.: из-во «Советская энциклопедия», 1979
Jan Tichy, Jiry Erhart, Erwin Kittinger, Jana Privratska. Fundamentals of Piezoelectric Sensorics.- Heidelberg, Dordrecht, London, New York.: Springer, 2010

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.

Ломать, не делать

Разряд тока, произведенный пьезоэлементом зажигалки, может сломать смартфон. Достаточно будет 8-12 раз «прощелкать» металлические разъемы гаджета, вход для наушников, оголенные части платы. При таком воздействии телефон откажется работать. При этом никаких видимых повреждений или оплавленных элементов не будет. Теперь вы можете с радостью нести сломанный гаджет в салон и требовать возврата денег. В сервисном центре ничего не должны понять.

Но пьезоэлементом газовой зажигалки нельзя вывести из строя обыкновенные «звонилки», сработанные в КНР. Не знаю почему, но даже после 50 ударов слабым током кнопочный телефон продолжил исправно функционировать.

Свойства и характеристики веществ, обладающих пьезоэффектом

Поскольку поляризация возникает только при упругой деформации, важным свойством пьезоматериала является его способность изменять форму под действием внешних сил. Величина этой способности определяется упругой податливостью (или упругой жесткостью).

Кристаллы с пьезоэлектрическим эффектом обладают высокой эластичностью — при снятии силы (или внешнего напряжения) они возвращаются к своей первоначальной форме.

Пьезокристаллы также имеют собственную механическую резонансную частоту. Если вы заставите кристалл колебаться на этой частоте, амплитуда будет особенно большой.

Поскольку пьезоэлектрический эффект проявляют не только целые кристаллы, но и пластины из них, вырезанные при определенных условиях, можно получать кусочки пьезоэлектрических веществ с резонансом на разных частотах в зависимости от геометрических размеров и направления среза.

Вибрационные свойства пьезоэлектрических материалов также характеризуются механической добротностью. Он показывает, во сколько раз увеличивается амплитуда колебаний на резонансной частоте при равной приложенной силе.

Существует четкая зависимость свойств пьезоэлектрика от температуры, что необходимо учитывать при использовании кристаллов. Эта зависимость характеризуется коэффициентами:

• температурный коэффициент резонансной частоты показывает, насколько уходит резонанс при нагреве/охлаждении кристалла;
• коэффициент температурного расширения определяет, насколько линейные размеры пьезоэлектрической пластины изменяются с температурой.

При определенной температуре пьезокристалл теряет свои свойства. Этот предел называется температурой Кюри. Этот лимит индивидуален для каждого материала. Например, для кварца это +573 °С.

Ломать, не делать

Разряд тока, произведенный пьезоэлементом зажигалки, может сломать смартфон. Достаточно будет 8-12 раз «прощелкать» металлические разъемы гаджета, вход для наушников, оголенные части платы. При таком воздействии телефон откажется работать. При этом никаких видимых повреждений или оплавленных элементов не будет. Теперь вы можете с радостью нести сломанный гаджет в салон и требовать возврата денег. В сервисном центре ничего не должны понять.

Но пьезоэлементом газовой зажигалки нельзя вывести из строя обыкновенные «звонилки», сработанные в КНР. Не знаю почему, но даже после 50 ударов слабым током кнопочный телефон продолжил исправно функционировать.

расчет

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.

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 .

Ультразвук Преобразователи Проектирование

Ranier Clement Tjiptoprodjo. On a Finite Element Approach to Modeling of Piezoelectric Element Driven Compliant Mechanisms.- Saskatchewan, Canada.: University of Saskatchewan Saskatoon, April 2005
Й.Крауткремер, Г.Крауткремер. Справочник. Ультразвуковой контроль материалов.-Москва.: Металлургия, 1991.
David H. Johnson. Simulation of an ultrasonic piezoelectric transducer for NASA/JPL Mars rover.- PA, USA.: Cybersonic, Inc. of Erie, 2003.
www.piezo.com
ОСТ 11 0444-87 «Материалы пьезокерамические»
Tokin. Multilayer Piezoelectic Actuators. User’s Manual, Tokin Corporate Publisher.: 1996.
Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Т.I. Механика.- Москва.:1979.
Голямина И.П. Ультразвук.-Москва.: из-во «Советская энциклопедия», 1979
Jan Tichy, Jiry Erhart, Erwin Kittinger, Jana Privratska. Fundamentals of Piezoelectric Sensorics.- Heidelberg, Dordrecht, London, New York.: Springer, 2010

Механизм действия пьезоэлемента

Ломать, не делать

Разряд тока, произведенный пьезоэлементом зажигалки, может сломать смартфон. Достаточно будет 8-12 раз «прощелкать» металлические разъемы гаджета, вход для наушников, оголенные части платы. При таком воздействии телефон откажется работать. При этом никаких видимых повреждений или оплавленных элементов не будет. Теперь вы можете с радостью нести сломанный гаджет в салон и требовать возврата денег. В сервисном центре ничего не должны понять.

Но пьезоэлементом газовой зажигалки нельзя вывести из строя обыкновенные «звонилки», сработанные в КНР. Не знаю почему, но даже после 50 ударов слабым током кнопочный телефон продолжил исправно функционировать.

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}}

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.

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.

Использование пьезоэффекта в технике

Прямой пьезоэффект используется:

• в пьезогенераторах электроэнергии разнообразного назначения: в пьезозажигалках, для получения высокого напряжения на разряднике от движения пальца;
• в контактном пьезоэлектрическом взрывателе (например, к выстрелам РПГ-7);

в датчиках:

• в качестве чувствительного к силе элемента (чем больше сила, тем выше напряжение на контактах), например, в силоизмерительных датчиках, датчиках давления жидкостей и газов;

в качестве чувствительного элемента в микрофонах, гидрофонах, головках звукоснимателя электрофонов, приёмных элементов сонаров;

Обратный пьезоэлектрический эффект используется:

• в акустических излучателях: в пьезокерамических излучателях звука (эффективны на высоких частотах и имеют небольшие габариты; такие например встраиваются в музыкальные открытки, различные оповещатели, применяемые во всевозможных бытовых устройствах от наручных часов до );
• в ультразвуковых излучателях для увлажнителей воздуха, ультразвуковой гидроочистки (в частности, ультразвуковых стиральных машин и промышленных ультразвуковых ванн);
• в излучателях гидролокаторов (сонарах);

в системах механических перемещений (активаторах):

• в системах сверхточного позиционирования, например, в системе позиционирования иглы в сканирующем туннельном микроскопе или в позиционере перемещения головки жёсткого диска;

в адаптивной оптике, для изгиба отражающей поверхности деформируемого зеркала.
в пьезоэлектрических двигателях;
для подачи чернил в струйных принтерах.

Прямой и обратный эффект одновременно используются:

• в кварцевых резонаторах, используемых как эталон частоты;
• в пьезотрансформаторах для изменения напряжения высокой частоты.
• в приборах на эффекте поверхностных акустических волн: в ультразвуковых линиях задержки электронной аппаратуры;
• в датчиках на поверхностных акустических волнах.

История пьезоэлектрических материалов