Быстрое развитие современных технологий привело к появлению различных механизмов sensing и actuation, которые играют crucial роль в многочисленных применениях. Среди этих механизмов выделяются пьезоэлектрические датчики и актуаторы благодаря их unique характеристикам и capabilities. Эти устройства используют пьезоэлектрический эффект, что enabled широкий спектр применений в таких diverse областях, как аэрокосмическая, медицинская, потребительская электроника и ядерная инструментация. В этой статье мы углубимся в принципы работы пьезоэлектрических датчиков и актуаторов, их преимущества и key различия между ними, предлагая comprehensive понимание их ролей в современном технологическом ландшафте.
Что такое пьезоэлектрические датчики?
Пьезоэлектрические датчики — это тип датчиков, основанных на пьезоэлектрическом эффекте, который представляет собой self-generating и electromechanical conversion тип датчика. Чувствительные элементы этих датчиков изготовлены из пьезоэлектрических материалов. Когда эти материалы подвергаются воздействию силы, они генерируют электрический заряд на своей поверхности. Этот заряд, когда amplified и transformed усилителем заряда и измерительной цепью, становится электрическим выходом, proportional к приложенной внешней силе. Пьезоэлектрические датчики commonly используются для измерения flexing движения, касания, вибрации и удара. Они находят применения в различных областях, включая медицинскую, аэрокосмическую, потребительскую электронику и ядерную инструментацию.
Что такое пьезоэлектрические актуаторы?
Пьезоэлектрические актуаторы — это преобразователи, которые преобразуют электрическую энергию в mechanical displacement или stress на основе пьезоэлектрического эффекта, и наоборот. Они widely используются как high-precision positioning механизмы благодаря их способности контролировать minute mechanical displacements на высоких скоростях. Они предлагают преимущества, такие как high force generation, stable displacement и convenient использование.
Преимущества пьезоэлектрических датчиков
- Высокочастотный отклик: Это означает, что они могут легко ощущать очень rapid параметры.
- Высокий переходный отклик: Поскольку они могут detect то, что происходит за small количество времени, и generate linear выход.
- Высокий выход: Относится к способности измерять с помощью электронных схем.
- Малый размер, прочная конструкция: Это означает, что их easy использовать.
Преимущества пьезоэлектрических актуаторов
Перемещение
В стековом актуаторе каждый пьезоэлектрический элемент имеет alternating полярность, и электрическое поле прикладывается parallel к направлению поляризации. Когда прикладывается напряжение, в направлении поляризации индуцируется strain или displacement. Движение пьезоэлектрического элемента равно количеству приложенного напряжения, умноженному на пьезоэлектрический коэффициент (пьезоэлектрический коэффициент d33 связан с efficiency преобразования электрической энергии в механическую). Поскольку они соединены mechanically in series, общее движение стекового пьезоактуатора — это движение одного элемента, умноженное на количество элементов в стеке. Общее перемещение стекового актуатора typically составляет от 0,1% до 0,15% длины актуатора.
Напряжение и электрическое поле
Стековые пьезоэлектрические актуаторы generally классифицируются как low voltage (ниже 200 В) или high voltage (до 1000 В), что относится к maximum входному напряжению maximum хода. Величина applicable напряжения зависит от материала и толщины каждого элемента. Следовательно, electric field увеличивается по мере уменьшения толщины слоя. Аналогично, для данного electric field, driving напряжение должно уменьшаться по мере уменьшения толщины слоя.
Сила и жесткость
Жесткость актуатора оказывает significant влияние на generation силы, которая определяется модулем упругости пьезокерамического материала, площадью поперечного сечения актуатора и его длиной. Несмотря на их small размер, стековые пьезоэлектрические актуаторы имеют density силы около 30 Н/мм, что позволяет им generate десятки тысяч Ньютонов useful силы. Важно отметить, что в steady-state operation (нет движения, constant сила) нет flow тока и не требуется power supply. Стековые актуаторы также могут maintain их положение при выключенном питании, не generate тепла.
Прочность на растяжение и предварительная нагрузка
Стековые пьезоэлектрические актуаторы often выдерживают как compressive, так и tensile силы, particularly во время high dynamic движения. Прочность на растяжение стековых актуаторов largely зависит от метода pressing отдельных слоев элементов вместе и обычно на order of magnitude ниже, чем compressive прочность. Предварительная нагрузка актуатора с силой greater than приложенной tensile нагрузки ensures, что актуатор always остается в compression и может operate в high dynamic, bidirectional применениях. Successful интеграция стековых пьезоактуаторов требует, чтобы любая приложенная сила была purely осевой и compressive. Производители usually предоставляют различные mounting options, чтобы help предотвратить bending, shearing или torsional силы.
- Низкое энергопотребление
Различия между пьезоэлектрическими датчиками и актуаторами
Датчики и актуаторы являются преобразователями, способными реагировать на physical stimuli и transmit импульсы в измеряемую среду. Пьезоэлектрические датчики преобразуют physical входы, такие как ускорение, давление или другие входы, в electrical сигналы, которые служат входами для систем обработки данных. Другими словами, они могут только convert mechanical энергию в electrical энергию. С другой стороны, пьезоэлектрические актуаторы — это преобразователи, которые convert electrical энергию в mechanical displacement или stress на основе пьезоэлектрического эффекта.
Заключение
В summary, пьезоэлектрические датчики и актуаторы — это обе important технологии, основанные на пьезоэлектрическом эффекте, каждая из которых служит specific целям. Пьезоэлектрические датчики преобразуют mechanical силы в electrical сигналы, в то время как пьезоэлектрические актуаторы transform electrical энергию в mechanical displacement или stress. Они предлагают различные преимущества и находят применения в многочисленных областях, от медицинской и аэрокосмической до потребительской электроники и ядерной инструментации.
