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压电是如何工作的:完整的终极指南

  • 发表时间:2021-10-13 09:54:09
  • 来源:本站
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大多数现代设备使用压电作为其印刷电路板 (PCB) 的一个组成部分。例如,您的石英表需要压电来调节时间。此外,麦克风甚至您心爱的 Siri 也需要它来进行语音识别。但是压电是如何工作的呢?所有压电材料都具有独特的特性。这些特性使它们能够与大多数现代技术无缝集成,以提供完美的融合。在本文中,我们将为您提供有关压电如何在日常使用中发挥作用的完整指南。

压电是如何工作的

压电力学插图。 

压电是由两位法国科学家的兄弟雅克和皮埃尔·居里创造的术语。在发现对两个石英(或某些晶体)施加压力会产生电荷后。

Piezo 来自希腊语“ piece in ”,意思是挤压或按压。因此,压电意味着“挤压电”。即压两个晶体产生电能。压电晶体有助于将机械(声能)转换为电子设备可以解释的电信号。 

该技术目前正在快速发展中。许多公司目前正在使用这种现象作为更先进技术的基础。例如,新型陶瓷音频音调换能器是压电技术的结晶。 

什么是压电效应?

压电效应图示。

压电效应图示。  

压电效应是将两种特定材料挤压在一起以产生电流的能力。对这些材料施加机械应力有助于在材料上产生交替的负电荷和正电荷,从而产生活跃的电场。 

然而,这种独特的压电特性也是可逆的。呈现直接压电效应的材料也可以呈现逆压电效应。 

逆压电效应在许多涉及声音的产生、检测和分配的领域中都有帮助。此外,它还包括微量天平、点火源力学、电子频率生成、高压产生等。

直接压电效应

压电和逆压电的图示。

压电和逆压电的图示。

如前所述,挤压压电晶体会产生压电性。 

在插图中,当您在两个金属板之间放置非导电压电材料并将它们挤压或压缩在一起时,它们会产生电流。金属板充当该电流的发射器。 

产生的电流会产生电流——称为压电效应。

逆压电效应

当您施加直流电压使压电材料膨胀或收缩时,就会产生反向压电。因此,这会产生逆压电效应——将电能转化为机械能。

利用这种方法有助于制造产生声学声音的设备,例如压电扬声器和压电麦克风。这种压电设备非常实用,因为它们很薄,可以安装到各种小家电中。同样,同样的原理也适用于声纳换能器和医学超声波等设备。

压电材料

各种天然和人造材料都表现出压电效应。当您施加压力(机械应力)并施加高压变形时,它们会产生电。 

通常,这些材料是不导电的。这是压电效应发生的唯一途径。 

压电材料主要分为两大类: 

  • 压电晶体

  • 压电陶瓷

天然压电材料的例子是柏林石、石英、罗谢尔盐、电气石等。人造压电材料的例子包括锆钛酸铅 (PZT)、钛酸钡、蔗糖和铌酸锂。 

与生物材料相比,人造材料更有效,材料利用率更高。例如,当您施加相同的压力时,锆钛酸铅会产生比石英更高的电压,当您对这两种材料施加高压电流时也是如此。

压电材料

压电材料

应用

燃气灶燃烧器上的压电火花发生器燃烧器

燃气灶燃烧器上的压电火花发生器燃烧器

今天,压电换能器和传感器应用无处不在。今天市场上的每个设备中可能都有一些压电材料。

以东京的地铁为例。它使用该原理作为替代能源。

以下是压电原理的一些典型日常应用。

压电传感器 

压电传感器将物理尺寸转换为作用在传感元件两个相对面上的力。简单来说,传感器检测声音带来的压力变化。 

它们不需要外部电压源,并且可以通过施加的压力产生结果。 

压电传感器很容易受到影响,因此非常适合用于医疗成像和工业机器监控的超声波换能器等高频声音设备。 

压电传感器具有以下主要特点;

  • 一、强度高、体积薄

  • 二、机械强度高

  • 然后,高稳定性和弹性柔顺性

  • 此外,宽频率范围

  • 此外,抗冲击性 

  • 最后,高压输出

高压和电源

使用压电原理的点烟器

使用压电原理的点烟器

这是压电原理最流行的实际应用。最好的例子是燃气烤架和电动打火机。此外,您只需按下一个按钮,弹簧锤就会撞击压电晶体。然后产生足够的火花,导致电荷点燃气体。 

马达

压电效应的主要优点是对应于高压应用的微小变化 - 使其非常适合定位精度极高的应用。

这就是压电电机与传统电磁发动机相比具有许多优势的原因。此外,尽管它们通常更小和更紧凑,但它们提供了更大的力和扭矩。 

此外,电磁场不会影响压电器件的性能,这使得它们更适合快速启动和停止。 

压电执行器

压电执行器图示。

压电执行器图示。 

致动器利用逆压电效应为盲文和针织机等设备供电。在致动器系统内部,压电材料位于金属板和致动器装置之间。 

向该系统施加高压电流会导致压电材料不时地膨胀和收缩,从而使执行器有节奏地移动。 

这些执行器是有益的,尤其是在需要精确定位的设备中,例如卫星中的镜子。此外,由于其简单的设计和最少的移动部件,它们非常适用于小型化设备,如摄像机和移动电话。 

压电的优缺点

尽管赞不绝口,压电性也有一些局限性。以下是压电的一些主要优点和缺点。 

好处缺点
能够在任何温度下运行它们的振动敏感性使它们容易发生随机振动。 
不受电磁场影响。有时压电材料的刚度与应用材料(例如路面)不匹配。
低碳足迹使它们成为化石燃料的最佳替代品
高度可重复使用的材料
它们对高频的微小响应使它们成为最好的能量收集器。

压电发电机 

压电发电机(也称为 PEG)利用压电传感器将机械能转换为电能,无需任何物理旋转——通常在传统发电机中找到。因此,压电发电机具有小巧、紧凑且易于管理的尺寸。 

在这一代中,压电发电机是发电领域非常受欢迎的突破。虽然尚未实现,但它们有能力将自供电无线电子设备的梦想变为现实。 

要实现这个梦想,可能还有很长的路要走;然而,压电发电机已被证明是可靠、稳定和高度耐用的电源。专家认为,不久之后压电发电机就能取代我们的大部分电力需求。 

压电发电机——优点和局限性 

好处

  • 第一,尺寸多样。由于其独特的特性,压电元件具有高度灵活的尺寸和设计。它们可以像您需要的那样扁平,以适合任何微型设备。 

其次,压电元件收集原本会被浪费掉的能量。例如,连接到人行天桥的压电电机收集来自步法的振动并将其转换为电能。这是一种替代能源和减少环境噪音的方法。 

限制

  • 它们的功率输出有限。压电发电机需要不断的振动才能产生恒定的功率。因此,产生的功率与施加的应力成正比。您可以通过将多个压电元件堆叠在一起来增加输出。然而,在某一点之后,收益递减,因为它需要更大的压力来运行系统。 

结论

那么,压电是如何工作的呢?综上所述,压电材料可以方便地将机械能转化为电能。这些材料的独特特性使其在许多技术领域非常有用。尤其是需要精确定位的区域。 

压电技术的应用是无限的,有很多可能性可以探索。润泽五洲PCB等技术制造商处于将这项技术集成到日常使用中的前沿。