Различия между пьезоэлектрическими преобразователями и актуаторами

Пьезоэлектрические материалы произвели революцию в областях датчиков, актуаторов и преобразователей благодаря их уникальной способности преобразовывать электрическую энергию в механическую и наоборот. Широкий спектр применений в таких отраслях, как медицина, аэрокосмическая, автомобильная и потребительская электроника, делает важным понимание ключевых различий и характеристик этих устройств. Эта статья дает обзор пьезоэлектрических преобразователей и актуаторов, их характеристик и выделяет основные различия между ними.

Что такое пьезоэлектрический преобразователь?

Пьезоэлектрический преобразователь относится к преобразователю, изготовленному с использованием прямого и обратного пьезоэлектрических эффектов пьезоэлектрических материалов. Как следует из названия, преобразователь — это устройство, которое может преобразовывать энергию. Пьезоэлектрические преобразователи используют пьезоэлектрический эффект определенных монокристаллических материалов и электрострикционный эффект определенных поликристаллических материалов для преобразования электрической энергии и акустической энергии. Благодаря высокой электроакустической эффективности, большой мощности и адаптируемой структуре и форме для различных применений, они широко используются в области силового ультразвука.

Что такое пьезоэлектрический актуатор?

Пьезоэлектрический актуатор — это преобразователь, который преобразует электрическую энергию в механическое перемещение или напряжение на основе пьезоэлектрического эффекта, и наоборот. Они широко используются как высокоточные позиционирующие механизмы, поскольку могут управлять малыми механическими перемещениями на высоких скоростях, создавая большие усилия, стабильные перемещения и удобство эксплуатации.

Преимущества и ключевые характеристики

Пьезоэлектрических преобразователей

• Чувствительность: Относится к эффективности преобразовательной способности преобразователя. Высокая чувствительность указывает на высокую эффективность преобразования.
• Резонансная частота: Относится к частоте, на которой преобразователь резонирует.
• Направленность: Относится к интенсивности передаваемых или принимаемых сигналов во всех углах направления излучающей поверхности преобразователя.
• Температуростойкость: Относится к верхнему и нижнему температурным пределам, в пределах которых преобразователь может нормально функционировать.
• Давлениестойкость: Относится к верхнему и нижнему пределам давления, в пределах которых преобразователь может нормально функционировать.
• Электрические параметры: Относится к импедансу, емкости и индуктивности самого преобразователя.
• Амплитуда: Относится к амплидуе вибрации преобразователя при фиксированном напряжении возбуждения.
• Предел напряжения: Максимальное значение напряжения преобразователя. Длительное превышение этого напряжения может вызвать деполяризацию пьезокерамики.
• Герметичность: Относится к герметичности преобразователя в жидкостях.
• Коррозионная стойкость: Относится к устойчивости преобразователя к коррозионным средам.

Пьезоэлектрических актуаторов

• Перемещение: В стековом актуаторе каждый пьезоэлемент имеет переменную полярность, и электрическое поле прикладывается параллельно направлению поляризации. При приложении напряжения в направлении поляризации индуцируется деформация или перемещение. Движение пьезоэлемента равно величине приложенного напряжения, умноженной на пьезоэлектрический коэффициент (коэффициент d33). Общее перемещение стекового актуатора обычно составляет от 0,1% до 0,15% длины актуатора.
• Напряжение и электрическое поле: Стековые пьезоэлектрические актуаторы обычно классифицируются как низковольтные (до 200 В) или высоковольтные (до 1000 В). Величина применимого напряжения зависит от материала и толщины каждого элемента.
• Усилие и жесткость: Жесткость актуатора значительно влияет на генерацию усилия. Несмотря на малый размер, стековые пьезоактуаторы имеют плотность усилия около 30 Н/мм, что позволяет им генерировать десятки тысяч Ньютонов полезного усилия. Важно отметить, что в установившемся режиме работы (нет движения, постоянное усилие) ток не течет, и источник питания не нужен.
• Предел прочности при растяжении и предварительное нагружение: Стековые пьезоэлектрические актуаторы часто выдерживают как сжимающие, так и растягивающие усилия. Предварительное нагружение актуатора усилием, превышающим приложенную растягивающую нагрузку, гарантирует, что актуатор всегда остается в сжатии.

Ключевые различия между пьезоэлектрическими преобразователями и актуаторами

Пьезоэлектрические преобразователи можно описать как комбинацию пьезоэлектрических датчиков и актуаторов.

При обсуждении пьезоустройств термины преобразователь и актуатор часто используются взаимозаменяемо. Однако, когда движение или усилие является основной целью, обычно говорят о пьезоэлектрических актуаторах, в то время как преобразователи чаще используются, когда цель — sensing или высокочастотные применения (такие как ультразвук, поток или измерение расстояния). Актуаторы обычно не работают в резонансе, а преобразователи обычно работают.

Пьезоэлектрические преобразователи используют пьезоэлектрический эффект определенных монокристаллических материалов и электрострикционный эффект определенных поликристаллических материалов для преобразования электрической энергии и акустической энергии. Они могут взаимно преобразовывать электрическую и механическую энергию.

Пьезоэлектрические ультразвуковые преобразователи бывают различных форм, таких как диски, пластины или трубки, и имеют разные уровни производительности. Они присутствуют везде, где требуется ультразвук, например, в измерении расхода, мониторинге структур и многих медицинских applications.

Пьезоэлектрические датчики преобразуют физические, acceleration, давление или другие входы в электрические сигналы, служа входами для систем обработки данных. Они преобразуют только механическую энергию в электрическую.

Пьезоэлектрические актуаторы выпускаются в стековом и многослойном исполнениях с разными номинальными усилиями, перемещениями до сотен микрон, а пьезоэлектрические изгибные актуаторы достигают миллиметровых уровней. Их основные характеристики, такие как время отклика в миллисекунды и высокая динамика, наряду с практически неограниченным разрешением, делают их незаменимыми в применениях от промышленного производства или распределения до сверхточного позиционирования.

Заключение

В заключение, пьезоэлектрические преобразователи и актуаторы — это универсальные устройства, которые используют уникальные свойства пьезоэлектрических материалов для различных применений. Хотя оба типа устройств могут преобразовывать электрическую энергию в механическую и наоборот, они отличаются по своим основным целям и эксплуатационным характеристикам. Пьезоэлектрические преобразователи ориентированы на sensing и высокочастотные применения, в то время как пьезоэлектрические актуаторы предназначены для создания точного движения или усилия. Понимание различия и характеристик этих устройств имеет решающее значение для выбора подходящего для конкретного применения, обеспечивая эффективное использование пьезоэлектрической технологии в многочисленных отраслях промышленности.