Med teknikens utveckling börjar mänskligheten slösa bort mindre och mindre energi förgäves. Dök upp solpaneler, vindkraftverk, solenergikoncentratorer, piezogeneratorer och andra enheter som hjälper människor att ta emot alternativ energi och spara den. De flesta av dessa enheter används redan i vardagen.

Men vetenskapen står inte stilla snart kommer det att vara möjligt att få energi genom vardagliga och mindre rörelser. Detta kan göras med hjälp av piezoelektriska generatorer. Det räcker för att snabbt ladda din telefon eller spelare. Piezoelektriska generatorer kan också dyka upp som laddar till exempel ett armbandsur med hjälp av excitationen som överförs av hjärtslag.

Enhet

I senaste åren flera prototyper av piezoelektriska generatorer skapades för olika applikationer. De kan kombineras i två olika klasser, som skiljer sig åt i typ av vibrationer, längsgående och tvärgående .

Piezogenerator som arbetar enligt ett longitudinellt oscillationsmönster. I den här enheten är ett enda piezoelektriskt element monterat i fodret på en sko, det gör att man kan generera en viss mängd energi under snabb rörelse, till exempel när en person springer. Denna apparat uppfanns i tekniskt universitet Louisiana och gjordes i form av ett speciellt piezoelektriskt element med spiralplatta.

För närvarande säkerställa tillförlitlighet och hållbarhet liknande enhet svårt på grund av det piezokeramiska materialets bräcklighet. Denna idé kan dock vara produktiv när man använder flexibla piezopolymerplattor. Men sådant material befinner sig för närvarande på forskningsstadiet.

Piezoelektriska generatorer som arbetar på böjvibrationer är inte mindre lovande. De kan också skilja sig åt i sin konfiguration och design.

För strömförsörjning, jämförelsevis hög kraft prototyper av makropiezoelektriska generatorer av olika design har skapats. Den mest avancerade utvecklingen av denna klass av enheter inkluderar ett experimentellt system med energilagringsenheter, skapade på basis av piezoelektriska generatorer, som är inbyggda i golvet på biljettterminalerna vid ingången till tunnelbanestationen Marunouchi (Tokyo).

En känd anordning är en explosiv piezoelektrisk generator, som inkluderar:

• Initieringsenhet:
• Stötvågsgenerator:
• Piezoelektrisk givare gjord av en uppsättning piezoplattor anslutna parallellt:
• Elektroderna, som appliceras på de motsatta ytorna av piezoplattorna, är placerade vinkelrätt mot stötvågsgeneratorns utgångsyta:
• Blocket av piezoplattor är placerat i en cylindrisk volym, vars änddel sammanfaller med stötvågsgeneratorns yta:
• Stötvågsgeneratorn uppträder som en axiellt symmetrisk struktur, den är gjord av ett explosivt lager, ett koniskt aluminiumfoder och ett koniskt aluminiumhölje.

Funktionsprincip

Den piezoelektriska effekten, som används i piezoelektriska generatorer, består i det faktum att enheten har ett speciellt dielektrikum på vilket mekanisk spänning appliceras. Som ett resultat skapar dielektrikumet vid de två olika ändarna en potentialskillnad. Som ett resultat, genom att skapa tryck på ett sådant piezoelement, kan du få utdata elektrisk spänning en viss storlek.

Den piezoelektriska effekten kan också orsaka en omvänd transformation, det vill säga säkerställa transformationen elektrisk energi till mekanisk, till exempel för att skapa ljudsändare. Baserat på typen av förhållande som används mellan det piezoelektriska elementets polarisationsvektor och riktningen för mekaniska vibrationer, kan piezogeneratorer delas in i klasser med tvärgående och längsgående riktningar för mekanisk verkan.

Om vi ​​överväger fysiken för de processer som sker i piezoelektrik mer i detalj, så ser allt ganska enkelt ut. För att göra detta behöver du bara förstå principerna för energigenerering av piezoelektriska material:

• När ett piezoelektriskt element utsätts för mekanisk verkan observeras en förskjutning av atomer i dess material, det vill säga i ett asymmetriskt kristallgitter.
• Denna förskjutning leder till uppkomsten av ett elektriskt fält, vilket leder till induktion av laddningar på det piezoelektriska elementets elektroder.

Till skillnad från en standardkondensator, vars plattor kan hålla kvar laddningar under mycket lång tid, bibehålls de inducerade laddningarna från en piezoelektrisk generator tills den mekaniska belastningen upphör att verka. Det är under denna period som energi kan erhållas från elementet. Så snart lasten avlägsnas försvinner de inducerade laddningarna.

Fenomenet piezoelektricitet upptäcktes av bröderna Pierre och Jackson Curie 1880, sedan dess har det varit bred användning inom mätteknik och radioteknik. Termen "piezoelektriska generatorer" kännetecknar endast energiomvandlingens riktning och inte omvandlingseffektiviteten. Det är fenomenet i samband med generering av el vid mekanisk påverkan som ingenjörer och uppfinnare har blivit intresserade av de senaste åren.

Rapporter började dyka upp om möjligheterna att erhålla elektrisk energi med inverkan av olika mekaniska energier:

• Rörelse av vågor och vind.
• Exponering för gatuljud.
• Laster från rörliga bilar och människor.
• Hjärtslag och så vidare.

Baserat på alla dessa alternativ började olika uppfinningar uppfinnas. Många av dem har redan hittat tillämpning, och några är för närvarande i planerna, eftersom tekniken inte har nått den nivå som krävs.

Applikationer och funktioner

För närvarande finns det flera alternativ för praktisk användning av piezoelektriska generatorer i:

• Piezotändare med syfte att högspänning på ett speciellt gnistgap från rörelsen av ett finger. Idag kan alla rökare bära sin egen "kraftverk" i fickan.
• Som ett känsligt element i de mottagande elementen av ekolod, mikrofoner, pickup huvuden av elektrofoner, hydrofoner.
• En piezoelektrisk kontaktsäkring, till exempel för skott från en RPG-7 granatkastare.
• Sensorer i form av ett kraftkänsligt element, till exempel gas- och vätsketryckssensorer, kraftmätande sensorer och så vidare.

Den omvända piezoelektriska effekten kan användas i:

• Piezokeramiska ljudsändare, till exempel, musikkort, alla typer av sirener som används i en mängd olika hushållsapparater från standard armbandsur till köksmaskiner.
• Ultraprecisa positioneringssystem, till exempel en positionerare för att flytta hårddiskhuvudet, i ett skanningstunnelmikroskop i ett nålpositioneringssystem.
• Ekolodssändare (ekolod).
• Ultraljudssändare för ultraljudshydrobehandling (industriella ultraljudsbad, ultraljudstvättmaskiner).
• Piezoelektriska motorer.
• Bläckstråleskrivare för bläcktillförsel.
• Adaptiv optik för att böja den reflekterande ytan på en deformerbar spegel.

Den omvända och direkta effekten av piezoelektriska generatorer används samtidigt i:

• Sensorer baserade på speciella akustiska ytvågor.
• Ultraljudsfördröjningslinjer av speciell elektronisk utrustning.
• Enheter baserade på effekten av speciella akustiska ytvågor.
• Piezotransformatorer för att ändra högfrekvent spänning.
• Kvartsresonatorer används som frekvensstandard.

De flesta piezoelektriska generatorer som används producerar en liten ström. Enskilda piezoelement kan generera högspänning, som bryter igenom urladdningsgapet, sedan flyter strömmen till likriktaren och sedan in i en lagringsenhet, till exempel en jonistor.

Fördelar och nackdelar

Bland fördelarna med piezoelektriska generatorer är:

• Lång livslängd.
• Små dimensioner.
• Rörlighet.
• Inget avfall och ingen miljöförorening.
• Oberoende av väder och naturliga förhållanden.
• Kräver inte tilldelning av ytterligare utrymme.
• Bred användbarhet av piezoelektriska generatorer i en mängd olika enheter.
• Utmärkt lösning som källa för elektriska laddningar, isolationsövervakning, högspänningskälla för tändningsändamål och många andra. I vissa fall är användningen av piezoelektriska generatorer att rekommendera som mikrokraftskällor. Den maximala spänningen som piezogeneratorer kan producera överstiger i de flesta fall inte 1,6 V, vilket är tillräckligt för små ljuskällor, mobila spelare eller mobila kommunikationsenheter.

Bland nackdelarna med piezoelektriska generatorer är:

• Liten ström. Den piezoelektriska generatorn är en omvandlare, men inte en källa till elektricitet.
• Generering av elektrisk laddning endast i ögonblicket av mekanisk påverkan. Strömflödet är kortsiktigt, vilket kräver implementering i ett antal enheter ytterligare element. Som ett resultat blir designen mer komplicerad och förlorar därför sin tillförlitlighet.
• På det här ögonblicket tid kan piezogeneratorer inte användas för att driva kraftfulla enheter.

Utsikter

• Utvecklingen av teknik inom en snar framtid kommer att göra det möjligt att använda piezoelektriska kraftgeneratorer i händelse av omöjlighet att använda solpaneler. De kommer att effektivt kunna ersätta dem, vilket kommer att kräva vind-, havs- eller muskelkraft. Den genererade energin kommer att räcka för att ladda batterierna på surfplattor, bärbara datorer och eventuellt driva ett helt hus.
• Idag genomförs experiment för att skapa system med piezoelektriska generatorer som skulle kunna ta emot energi från fordon i rörelse. Enligt forskare kan en kilometer motorväg generera elektrisk effekt lika med 5 MW. Men för närvarande stoppas ett genombrott inom detta område av alternativ energi av otillräcklig utveckling av teknik.
• Inom en överskådlig framtid kommer det att vara möjligt att ladda spelaren, mobiltelefon eller annan enhet genom att helt enkelt stoppa den i fickan. Och en persons hjärtslag kan bli en strömkälla, till exempel för en bärbar sensor blodtryck. Sådana revolutionerande möjligheter erbjuds genom skapandet av platta "nanogeneratorer" i miniatyr som kan, när de skakas, böjs eller kläms, producera samma spänning som ett standard AA-batteri.

En tunn piezoelektrisk film på fönsterglas som absorberar gatuljud och omvandlar det till energi för att ladda din telefon. Fotgängare på trottoarer och rulltrappor i tunnelbanan, som laddar autonoma belysningsbatterier genom piezoomvandlare. Tät trafik flyter på trafikerade motorvägar och genererar megawatt el, vilket räcker till hela städer.

Fantastisk? Tyvärr, ja för nu, och det kan förbli så. Äta Stor chans att hajpen kring sensationella rapporter om underbara framtidsutsikter snart tar slut piezoelektriska energigeneratorer. Och vi kommer återigen att drömma om säker, förnybar och, om jag ska vara ärlig, billig elektrisk energi som erhålls med hjälp av andra fenomen. När allt kommer omkring är listan över fysiska effekter anmärkningsvärt lång.

Piezoelektricitetsfenomen upptäcktes av bröderna Jackson och Pierre Curie 1880 och har sedan dess blivit utbredd inom radioteknik och mätteknik. Det ligger i det faktum att en kraft som appliceras på ett prov av ett piezoelektriskt material leder till uppkomsten av en potentialskillnad på elektroderna. Effekten är reversibel, d.v.s. Det motsatta fenomenet observeras också: genom att applicera spänning på elektroderna deformeras provet.

Beroende på energiomvandlingens riktning Piezoelektrik är uppdelad i generatorer (direkt konvertering) och motorer (omvänd konvertering). Termen "piezoelektriska generatorer" kännetecknar inte omvandlingseffektiviteten, utan endast riktningen för energiomvandlingen.

Exakt det första fenomenet i samband med generering av elektricitet under mekanisk påverkan, ingenjörer och uppfinnare har blivit intresserade de senaste åren. Som från ett ymnighetshorn strömmade meddelanden in om möjligheterna att få elektrisk energi genom att utnyttja gatuljud, vågornas och vindens rörelser och belastningen från människors och bilars rörelser.

Idag finns det flera exempel på praktisk användning av sådan energi. På Marunuchi tunnelbanestation i Tokyo finns piezogeneratorer installerade i biljettområdet. Passagerarmassan räcker för att kontrollera vändkorsen.

I London, på ett elitdiskotek, driver piezogeneratorer flera lampor som stimulerar till dans och... försäljning av läsk. Piezoelektriska tändare har blivit vardagligt. Nuförtiden har varje rökare sin egen "kraftverk" i fickan.

Relativt nyligen sprängdes världssamfundet av ett meddelande om att testa system för att få energi från fordon i rörelse. Israeliska forskare från litet företag Innowattech räknat ut det 1 kilometer motorväg kan generera elektrisk effekt på upp till 5 MW. De utförde inte bara beräkningarna, utan öppnade också flera tiotals meter av motorvägsytan och monterade sina piezoelektriska generatorer under den. Det verkade som att ett genombrott inom alternativ energi äntligen hade kommit. Men allvarliga tvivel uppstår om detta.

Låt oss överväga mer detaljerat fysiken för de processer som sker i piezoelektrik. För att bli bekant med principerna för energigenerering av piezoelektriska material räcker det att förstå flera grundläggande mekanismer. När ett piezoelektriskt element utsätts för mekanisk verkan, förskjuts atomer i materialets asymmetriska kristallgitter. Denna förskjutning ger upphov till ett elektriskt fält, som inducerar (laddar) det piezoelektriska elementets elektroder.

Till skillnad från vanlig kondensator, vars plattor kan behålla laddningen under lång tid, de inducerade laddningarna av det piezoelektriska elementet bibehålls endast så länge som den mekaniska belastningen appliceras. Det är vid denna tidpunkt som energi kan erhållas från elementet. Efter att lasten har tagits bort försvinner de inducerade laddningarna. Faktiskt, Det piezoelektriska elementet är en strömkälla av försumbar storlek, med ett mycket högt inre motstånd.

Utan överflöd tekniska egenskaper Vi behöver bara ett fåtal piezomaterial. Detta är värdet på den piezoelektriska modulen, som för vanliga (och andra som ännu inte produceras av industrin) piezoelektrik varierar från 200 till 500 picoculombs (10 till minus 12 effekt) per newton, och kännetecknar effektiviteten av laddningsgenerering under påverkan av kraft.

Denna egenskap beror inte på storleken på det piezoelektriska elementet, utan bestäms helt av materialets egenskaper. Därför är det meningslöst att försöka göra kraftfullare omvandlare genom att öka de geometriska dimensionerna. Kapacitansen hos tändares piezoelektriska elementplattor är känd och är cirka 40 picofarads.

Spaksystemet för att överföra kraft till piezoelementet skapar en belastning på cirka 1000 newton. Spalten där gnistan hoppar är 5 mm. Luftens dielektriska styrka antas vara 1 kV/mm. Med sådana initiala uppgifter Tändaren genererar gnistor med en effekt på 0,9 till 2,2 megawatt!

Men var inte rädd. Urladdningstiden är bara 0,08 nanosekunder, därav de enorma effektvärdena. Att beräkna den totala energin som genereras av tändaren ger ett värde på endast 600 mikrojoule. Samtidigt är tändarens effektivitet, med hänsyn till det faktum att den mekaniska kraften genom hävstångssystemet helt överförs till piezoelektriken, endast... 0,12%.

De energiutvinningssystem som föreslås i olika projekt ligger nära tändarnas driftsätt. Enskilda piezoelektriska element genererar en hög spänning, som bryter igenom urladdningsgapet, och strömmen flyter till likriktaren och sedan till en lagringsenhet, till exempel en jonistor. Ytterligare energiomvandling är standard och av inget intresse.

Låt oss gå vidare från tändare till problemet med att generera energi i industriell skala. Låt det mesta användas effektiva element, genererar 10 milliwatt per element. Samlade i kluster (grupper) med 100-200 element, de placeras under vägytan. Sedan, för att erhålla det deklarerade effektvärdet på cirka 1 MW per kilometer väg, kommer bara... 100 miljoner att krävas enskilda element med individuella energiborttagningsprogram. Det återstår uppgiften att summera det, omvandla det och överföra det till konsumenten. I det här fallet kommer elementens strömmar, med hänsyn till den förändrade belastningen på vägbanan, att ligga i nano- eller till och med pikoampere.

Att bekanta sig med liknande projekt för att erhålla energi från den piezoelektriska effekten, föreslår en analogi med ett vattenkraftverk ofrivilligt, där turbiner arbetar från fukten från morgondagg, noggrant insamlade från de omgivande fälten.

Men hur är det med det israeliska företagets experiment? En rapport om resultatet av "sabotaget" på motorvägen dök aldrig upp. Men framför oss ligger fullgörandet av kontraktet för att få energi från motorvägen Venedig-Trieste, som ingicks av Innowattech.

Det finns en version om detta: detta är ett företag av typen "startup", dvs. med hög risk investeringskapital. Efter att ha fått mer än blygsamma preliminära resultat från forskarna, beslutade dess grundare att motivera investerarnas spenderade pengar och gjorde ett utmärkt marknadsföringsdrag - de genomförde ett spektakulärt test med pressens deltagande. Och hela världen började prata om det lilla företaget. Och i detta brus gick huvudfrågan förlorad: var finns megawatten av billig energi?

För att sammanfatta kan vi bara dra en slutsats: piezoelektriska element kommer aldrig att bli kommersiellt tillgängliga. Utbudet av deras applikationer kommer att begränsas till lågeffekts (mikroeffekt) strömförsörjning och sensorer. Det är synd, det var en så vacker idé!

2 år sedan

Piezoelektrik är dielektrikum där den piezoelektriska effekten uppstår, det vill säga de dielektrika som under påverkan av deformation kan inducera en elektrisk laddning på sin yta (direkt piezoelektrisk effekt) eller deformeras under påverkan av ett externt elektriskt fält (omvänd piezoelektrisk effekt ). Båda effekterna upptäcktes av bröderna Jacques och Pierre Curie 1880-1881.

Piezoelektrik används ofta i modern teknik som element i sensorer (till exempel tryck). Det finns piezoelektriska detonatorer, högeffektsljudkällor, miniatyrtransformatorer, kvartsresonatorer för mycket stabila frekvensgeneratorer, piezokeramiska filter, ultraljudsfördröjningslinjer och mer. Utöver kristallint kvarts är de mest använda för dessa ändamål polariserad piezokeram gjord av polykristallin ferroelektrik gjord av blyzirkonattitanat.

Det enklaste sättet att förstå denna process är att använda exemplet med ett piezoelektriskt element i en tändare, som är en liten kvartskristall med piezoelektriska egenskaper. Om en spänning appliceras på en sådan kristall deformeras kristallgittret och dimensionerna på kristallen ändras. Det är så den direkta piezoelektriska effekten uppstår.

Om du komprimerar eller sträcker en kvartskristall skapas spänningar på dess yta. Detta är den så kallade omvända piezoelektriska effekten. Piezoelektriska element, som inducerar en elektrisk laddning när de utsätts för deformation, har länge använts för att omvandla mekanisk energi till elektricitet. Till exempel på dansgolv och på parkeringar.

Vi försäkrar dig dock att potentialen hos dessa material inte är begränsad till detta. Till exempel presenterade europeiska forskare sin utveckling vid International Electron Devices Meeting. De demonstrerade en prototypenhet med dimensionerna av en mikromaskin.

För att göra detta använde de aluminiumnitrid som ett piezoelektriskt element istället för det traditionella blyzirkonattitanatet. Denna prototyp utför funktionen trådlös sensor temperatur, som absorberar energi från alla typer av vibrationer och sänder data till basstationen var 15:e sekund.

Genom att installera piezoelektriska givare på jetflygplan kan man idag spara upp till 30 procent av bränslet på grund av vibrationer i flygplanets flygkropp och vingar. Philips har skapat ett trafikljus vars batteri laddas av buller. Det är inte svårt att anta att en sådan utveckling kommer att dyka upp allt oftare. Omfattningen av deras tillämpning kommer att utökas avsevärt i framtiden.

Experter säger djärvt att bristen på kapacitet inom en snar framtid kommer att försvinna helt. När allt kommer omkring, om det finns ett piezoelektriskt element, är det möjligt att utvinna elektricitet från rörliga bilar och gående människor. Även enligt försiktiga uppskattningar visar det sig att från tio kilometer av en tvåfilig piezoväg kommer det att vara möjligt att få cirka fem megawatt i timmen! För att ha en uppfattning om hur mycket detta är, räcker det att komma ihåg att det är exakt hur mycket det är den första Kärnkraftverk i Obninsk.

En elektromekanisk givare gjord av piezoelektriska material av en viss form och orientering i förhållande till de kristallografiska axlarna, med hjälp av vilken mekanisk energi omvandlas till elektrisk energi (direkt piezoelektrisk effekt), och elektrisk energi till mekanisk energi (omvänd piezoelektrisk effekt).

Strukturellt är det piezoelektriska elementet en piezokeram med applicerade elektroder. Piezoelement kan ha olika former: i form av skivor, ringar, rör, plattor, sfärer etc. För vibratorer och generatorer kombineras piezoelement till en piezoelektrisk stapel för att uppnå bättre egenskaper.

Ändra färg

Diameter: 10 mm
Tjocklek: 1 mm
Material: TsTS-26
Spänning: 5V
Excitationsfrekvens: 1MHz
Svängningsskala: 30000:1

Se fluktuationer

Stoppa vibrationerna

Figur - Vibration av ett fritt piezoelektriskt element under påverkan av spänning (omvänd piezoelektrisk effekt)

Piezoelektrisk effekt

Piezoelektriska ämnen ( piezoelektrik), särskilt piezokeramer, har egenskapen att när de deformeras under påverkan av yttre mekaniskt tryck, elektriska laddningar. Denna effekt kallas direkt piezoelektrisk effekt och upptäcktes 1880 av bröderna Curie.

Referens: Jacques och Pierre Curies första artikel om piezoelektricitet presenterades för Mineralogical Society of France (Societe mineralogique de France) vid en session den 8 april 1880 och senare för Academie des Sciences vid en session den 24 augusti 1880. Pierre och Jacques Curie upptäckte först den direkta piezoelektriska effekten i kristaller turmalin. De märkte att om mekaniskt tryck appliceras på en kristall i en viss riktning, uppstår elektriska laddningar på motsatta sidor av kristallen, proportionell mot trycket och med motsatt polaritet. Senare upptäckte de en liknande effekt i kvarts och andra kristaller. 1880 var Pierre Curie bara 21 år gammal.

Strax efter detta (år 1881) konfirmerades och omvänd piezoelektrisk effekt, nämligen att ett ämne som är beläget mellan två elektroder reagerar på en elektrisk spänning som appliceras på det genom att ändra dess form. Den första effekten används för närvarande för mätningar, och den andra används för att excitera mekaniska tryck, deformationer och vibrationer.

Mer detaljerade studier av den piezoelektriska effekten visade att den förklaras av egenskapen hos enhetscellen i materialstrukturen. I detta fall är enhetscellen den minsta symmetriska materialenheten, från vilken en mikroskopisk kristall kan erhållas genom att upprepa den många gånger. Det visades att en nödvändig förutsättning för uppkomsten av den piezoelektriska effekten är frånvaron av ett symmetricentrum i enhetscellen.

Egenskaper hos piezokeramik

Förhållandet mellan den applicerade kraften och det resulterande svaret från det piezoelektriska elementet beror på: de piezoelektriska egenskaperna hos den piezoelektriska keramen, storleken och formen på provet och riktningen för elektrisk och mekanisk excitation.

Till sin natur är piezoelektriska material anisotropa kristaller. visar de olika riktningarna och orienteringsaxlarna för det piezoelektriska materialet. Axlarna 1, 2 och 3 är motsvarande analoger till de klassiska X-, Y-, Z-axlarna ortogonalt system koordinater, medan axlarna 4, 5 och 6 definierar rotationsaxlarna. Riktningen för axel 3 är polarisationsriktningen. Denna riktning etableras under produktionen av hög DC spänning, som skapas mellan elektroderna.

Kännetecknas av följande egenskaper:

Den relativa dielektricitetskonstanten är förhållandet mellan materialets dielektricitetskonstant (i detta fall och ) och den dielektriska konstanten för vakuum ()

där = 8,85 10-12, F/m

Den övre skriften visar de randvillkor som verkar på materialet i processen att bestämma värdet på den relativa dielektricitetskonstanten. I synnerhet indikerar index T (i detta fall) att dielektricitetskonstanten mäts på ett fritt (ej fastspänt) prov. Och index S visar att mätningar sker under konstant deformation av piezokeramiken (i ett fastspänt tillstånd). Den första subskripten visar riktningen för den dielektriska förskjutningen, och den andra - det elektriska fältet. Formeln för att beräkna den relativa dielektricitetskonstanten är som följer:

Plåtens naturliga frekvens längs tjockleken beräknas med hjälp av följande formel

där c är ljudets hastighet i materialet, m/s

Klicka här för att se svängningarna av det piezoelektriska elementet!

Excitationsfrekvens f=25kHz
Svängningsskala 200000:1

Excitationsfrekvens f=73,6 kHz
Svängningsskala 10000:1

Excitationsfrekvens f=280kHz
Svängningsskala 10000:1

Figur 4 - Amplitud-frekvenssvar för det piezoelektriska elementet. Typer av vibrationer vid olika frekvenser

Elektromekaniska kopplingskoefficienter k p, k 33, k 15, k t och k 31 beskriver förmågan hos ett piezoelektriskt element att omvandla energi från elektrisk till mekanisk och vice versa. Kvadraten på den elektromekaniska kopplingskoefficienten definieras som förhållandet mellan den ackumulerade omvandlade energin av en typ (mekanisk eller elektrisk) och ingångsenergin för den andra typen (elektrisk eller mekanisk). Indexet visar de relativa riktningarna för elektriska och mekaniska storheter och typen av vibrationer. De kan associeras med oscillationsläget för en enkel givare av en viss form. k p betyder förhållandet mellan elektrisk och mekanisk energi i en tunn cirkulär skiva, polariserad i tjocklek och oscillerande i radiell riktning - planläge (). k 31 hänvisar till en lång tunn stång med elektroder på en lång yta. Typen av vibration är spänning och kompression längs längden (). k t är relaterad till tunn skiva eller platta och bestämmer kompressionsspänningen längs tjockleken (). k 33 motsvarar en lång tunn stång med elektroder vid sina ändar och polariserad längs dess längd. Typen av oscillationer är sträckning och kompression längs längden (). k 15 beskriver energin som omvandlas till skjuvvibrationer längs tjockleken ().

Denna koefficient kan beräknas genom resonans- och antiresonansfrekvenserna med hjälp av formeln.

, (4)

För att mäta dessa frekvenser används det vanligtvis, med vilket du kan få motståndets beroende av piezokeramernas frekvens ().

Av naturen uppstår resonansfrekvens när systemet har väldigt lite motstånd, medan antiresonans uppstår när systemet har mycket högt motstånd. Frekvensen som har minsta resistans anses vara resonant (), och frekvensen med maximalt motstånd– antiresonans ().

Figur 5 – Typer av vibrationer av piezokeramiska prover av olika former

De elastiska egenskaperna hos piezoelektriska material kännetecknas av elastisk följsamhet () eller elastisk styvhet (). Elastisk följsamhet bestämmer mängden deformation som uppstår under påverkan av applicerad mekanisk påkänning. På grund av det faktum att keramerna under påverkan av mekanisk påkänning genererar en elektrisk respons som motverkar den resulterande deformationen, är den effektiva Youngs modul när elektroderna kortsluts mindre än under tomgångsförhållanden. Dessutom är styvheten olika åt olika håll, så för exakt definition Värdena indikerar elektriska och mekaniska förhållanden. Den upphöjda E indikerar att mätningar görs vid ett konstant elektriskt fält ( kortslutning). Medan indexet D indikerar gränsvillkoret - konstant elektrisk förskjutning (induktion), d.v.s. mätningar sker vid tomgång. Den första lägre siffran visar deformationsriktningen, den andra riktningen för mekanisk påkänning.

Piezoelektrisk modul d – förhållandet mellan mekanisk töjning och applicerat elektriskt fält (C/N)

Det är användbart att komma ihåg att stora värden på d ij resulterar i stora mekaniska förskjutningar, vilket vanligtvis uppnås vid design av ultraljudsgivare. d 33 används när kraften är riktad i riktning mot polarisationsaxeln (). d 31 används när en kraft appliceras i rät vinkel mot polarisationsaxeln, och en laddning uppstår på elektroderna, precis som i föregående fall (). d 15 visar att laddning ackumuleras på elektroder som är i rät vinkel mot de ursprungliga polariserande elektroderna och att de resulterande mekaniska vibrationerna är skjuvning ().

Piezoelektrisk tryckkonstant g ij är förhållandet mellan den resulterande spänningen och det applicerade trycket.

, (6)

Indexet "33" visar att det elektriska fältet och den mekaniska spänningen är riktade längs polarisationsaxeln. Indexet "31" betyder att trycket appliceras i rät vinkel mot polarisationsaxeln, medan spänningen tas bort från samma elektroder som i fallet med "33". Indexet "15" innebär att den applicerade spänningen är skjuvning och det resulterande elektriska fältet är vinkelrät mot polarisationsaxeln. Högt värde g ij leder till höga utspänningar, vilket är önskvärt för sensorer.

Poissons förhållande är förhållandet mellan relativ lateral kompression och motsvarande relativa longitudinella förlängning

, (7)

Temperaturkoefficienten visar förändringen olika egenskaper material (resonansfrekvens, kapacitans, dimensioner) med temperaturförändringar

, (8)

, (9)

, (10)

Åldringshastighet är ett mått på förändringen i resonansfrekvens och kapacitans över tiden. För att beräkna denna hastighet, efter polarisering, kopplas omvandlarelektroderna samman och provet värms upp viss period tid. Resonansfrekvensen och kapacitansen mäts varannan n (1,2,4 och 8) dag. Åldringshastigheten beräknas med följande formel:

, (11)

Kvalitetsfaktor – kvantitativ egenskap resonansegenskaper hos oscillatoriska system, som indikerar hur många gånger amplituden för forcerade oscillationer vid resonans överstiger amplituden för forcerade oscillationer vid en frekvens som är mycket lägre än den resonanta med samma amplitud av den exciterande kraften. Kvalitetsfaktorn är lika med förhållandet mellan resonanssystemets egenfrekvens och frekvensbandets bredd, vid vars gränser systemets energi under forcerade svängningar är hälften så mycket som energin vid resonansfrekvensen

Figur 7 – Pulver för tillverkning av ett piezoelektriskt element

Tillverkningsprocess piezokeramikär uppdelad i flera steg. När syntesen av en given ferroelektrisk förening utförs, krossas utgångsråvarorna (oxider eller salter, till exempel titandioxid och bariumoxid) och blandas i mängder som motsvarar föreningens stökiometriska sammansättning och utsätts sedan för värmebehandling vid temperaturer på 900 - 1300 ° C, under vilken kemisk syntes. Den så kallade metoden för utfällning från vattenlösningar används också, där syntestemperaturen, på grund av idealisk blandning av komponenterna, reduceras till 750 - 1000 ° C. Arbetsstycken erhålls från pulveriserat syntetmaterial genom pressning (liksom formsprutning) nödvändig konfiguration och storlekar för framtida piezoelement, som sedan avfyras enligt en strikt definierad temperaturförhållanden, som till stor del bestämmer egenskaperna hos piezokeramer. Mekanisk bearbetning av delen efter bränning ger den en exakt specificerad form och storlek. Elektroder gjorda av silver, nickel, platina, etc. appliceras på delen, och den mest använda metoden är att bränna i silver. För att polarisera keramiken appliceras elektrisk spänning på elektroderna (fältstyrkan E varierar från 0,5 till 3 kV/mm beroende på den kemiska sammansättningen och polarisationsmetoden). För att minska fältstyrkan E under polarisering värms provet till temperaturer nära Curie-punkten (eftersom domänerna har större rörlighet) och kyls sedan långsamt i närvaro av ett fält. Piezokeramik kännetecknas av den sk. åldrande, d.v.s. en förändring i dess parametrar (dielektricitetskonstant, piezoelektriska moduler) över tiden, särskilt märkbar under de första dagarna efter produktion och polarisering av proverna, vilket beror på förändringar i båda mekanisk stress vid gränserna mellan korn och storleken på kvarvarande polarisation.

Applicering av piezokeramik

Piezoelektriska material har funnits i brett utbud områden som medicinska instrument, industriell processkontroll, halvledartillverkningssystem, hushåll elektriska apparater, kommunikationsstyrsystem, olika mätinstrument och inom andra områden. Kommersiella system som använder piezoelektriska material är pumpar, symaskiner, sensorer (tryck, isbildning, vinkelhastigheter, etc.), optiska instrument, laserskrivare, kameraautofokusmotorer och många andra. Samtidigt växer tillämpningsområdet för dessa material ständigt. Applicering av ett piezoelement kommer vanligtvis ner till fyra kategorier: sensorer, generatorer, ställdon och omvandlare.

I generatorer piezoelektriska material kan generera en spänning som är tillräcklig för att orsaka en gnista mellan elektroderna, och kan därför användas som elektroder för att tända bränsle, t.ex. gasspisar och för svetsutrustning. Alternativt kan den elektriska energin som genereras av de piezoelektriska elementen lagras. Sådana generatorer gör utmärkta solid state-batterier för elektroniska kretsar.

I sensorer piezoelektriska material omvandlas fysiska parametrar, såsom acceleration, tryck och vibrationer till en elektrisk signal.

I kraftdrifter, Piezoelektriska material omvandlar en elektrisk signal till en exakt kontrollerad fysisk förskjutning, som exakt fastställer precisionen hos mekaniska instrument, linser och speglar.

I omvandlare, piezoelektriska givare kan både generera en ultraljudssignal från elektrisk energi och omvandla inkommande mekaniska vibrationer till elektriska. Piezoelektriska instrument är designade för att mäta avstånd, flödeshastigheter och vätskenivåer. Givare används också för att generera ultraljudsvibrationer för rengöring, borrning, svetsning, slipning av keramik och för medicinsk diagnostik.

16 februari 2016 klockan 20.06

Piezoelektrisk generator elektrisk kraft

• Datorhårdvara

Spänningen i världen när det gäller skapandet av piezoelektriska energikällor har inte varit annorlunda förrän nyligen hög nivå uppfinningsrika förslag. Till exempel föreslår israeliska forskare att man installerar piezoelektriska element i vägytan och använder energin från passerande bilar. I Japan är golvet i en av tunnelbanehallarna täckt med piezoelektriska element. Dessa och liknande spänningsgeneratorprojekt tål inte kritik ur ekonomisk synvinkel. Anledningen är detta.

Ett klick på en elektrisk tändare, som varar ungefär 0,1 nanosekunder, släpper ut mer än 2 megawatt effekt. Det vill säga effekten per sekund är 0,2 watt. Om du kunde göra 1000 klick per sekund skulle du få 200 watt effekt. Kraften är stor, men hur gör man 1000 klick per sekund. Detta är omöjligt, men det är möjligt att trycka ett piezoelektriskt element på ett mjukt roterande hjul 20 eller fler tusen gånger, spännande ultraljudsvibrationer i det.

Detta bevisas åtminstone av figuren nedan (Fig. 1). Trettio watt effekt från det piezoelektriska elementet (watt per gram piezoelektriskt element) i kontinuerligt läge vid en spänning på 300V var tillräckligt för att driva lågenergilampa. För att göra detta omvandlas energin från det roterande hjulet till böjande ultraljudsvibrationer av en stämgaffel gjord i ena änden av Langevin-paketet, och sedan, på grund av den piezoelektriska effekten, till elektriska vibrationer hög frekvens.

Det vill säga, med hjälp av piezoelement är det möjligt att skapa inte bara elektriska spänningsgeneratorer utan också kraftgeneratorer.

Tanken på att använda en piezoelektrisk motor som en kraftgenerator (fig. 2) har länge ignorerats. Anledningen är att enligt denna idé måste en typ av vibration med tvång exciteras i en av delarna av det piezoelektriska elementet. Låt oss kalla den här delen exciteren. För detta, förutom mekanisk verkan, används en separat kraftkälla. Den andra typen av vibrationer bör genereras i en annan del av det piezoelektriska elementet, pga påtvingad rotation rotor. Låt oss kalla denna del av det piezoelektriska elementet en generator.

Tester av prototyper bekräftade möjligheten att generera energi i generatorn. Men kraften hos generatorn måste vara flera gånger större än kraften som tas från exciterkraftkällan. Annars är det ingen mening med en sådan generator. Detta är precis vad som inte fungerade på länge.

Först relativt nyligen kunde Vyacheslav Lavrinenko, uppfinnaren av den piezoelektriska motorn, en pensionär, som arbetade hemma efter att noggrant valt materialen i det piezoelektriska elementet och kontaktparen, få användbar kraft vid en belastning flera gånger större än den effekt som tas från en extra strömkälla. Det blev möjligt att styra en del av generatorns ström till excitern och ta bort ytterligare källa. Han löste detta problem på två sätt.

Enligt den första metoden mätte jag amplituden och fasen vid magnetiseringsingången och justerade med hjälp av reaktiva element spänningen vid generatorns utgång till samma amplitud och fas. Det vill säga som i vanligt elektriska generatorer amplitud- och fasbalansförhållandena uppfylldes. När dessa villkor var uppfyllda kopplades utgången till ingången.

Enligt den andra metoden omvandlades spänningen från generatorn till likspänning, som matade en effektförstärkare och en lågeffekts växelspänningsgenerator. Eftersom det var möjligt att konsekvent få användbar effekt inom 0,2 watt per gram piezoelektriskt element, upptäckte Lavrinenko en intressant effekt, jämförbar i fysik med upptäckten, som han formulerade enligt följande:

I två resonatorer av ömsesidigt vinkelräta akustiska svängningar kombinerade i en kropp, med resonansfrekvenser förskjutna i förhållande till varandra för att skapa en fasförskjutning mellan svängningarna, genereras, när de exciteras, ömsesidigt tvärgående svängningar spontant med en frekvens mellan de nämnda resonansfrekvenserna under friktionen. interaktion av en kropp med en annan kropp, till exempel med ett roterande hjul.

Det vill säga, under friktionssamverkan mellan de nämnda kropparna, finns det en positiv återkoppling. Uppkomsten av slumpmässiga vibrationer bildar en ellips, vars dimensioner ökar när hjulet roterar. På liknande sätt, i en elektrisk spänningsförstärkare, täckt av positiv återkoppling, exciteras elektriska svängningar spontant, och energin från konstantspänningskällan omvandlas till AC spänning. Denna spännings beroende av rotationshastigheten har den form som visas i fig. 3.

Den upptäckta effekten förenklar i hög grad idén om att skapa piezoelektriska kraftgeneratorer, och en effekt på 5 watt per gram piezoelektriskt element blir ganska verklig. Huruvida de kommer att ha fördelar jämfört med elektromagnetiska generatorer kan bara sägas med tiden, eftersom de studeras, även om några av dem redan kan diskuteras.

Frånvaron av koppar och lindningar betyder tillförlitlighet under förhållanden hög luftfuktighet. Frånvaron av tungmetaller (koppar och järnlegeringar) innebär höga specifika parametrar. Produktion högfrekvent signal, lätt omvandlingsbar för att passa alla belastningar. Och den största fördelen är att en växellåda inte krävs för någon hjulrotationshastighet. Det räcker bara för att korrekt beräkna hjuldiametern.

Om det är omöjligt att använda solpaneler, kan piezoelektriska kraftgeneratorer, som använder energi, muskler eller vind, ersätta dem, till exempel för att ladda batterierna på bärbara datorer, surfplattor etc. Även om riktningens relevans är uppenbar, kräver dess utveckling tillräckligt ekonomiskt stöd, som, liksom Många projekt i våra länder ännu inte existerar.