для чего применяется демпфирование пьезоэлемента

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Механическое демпфирование

Этот тип трения играет наиболее важную роль в периодических процессах, например при работе подшипников качения и автомобильных шин. Механическое демпфирование и задержанное упругое восстановление обусловливают диссипацию энергии. Следовательно, трение качения и механическое демпфирование тесно связаны между собой. [31]

Во-вторых, электронная аппаратура стала широко применяться при экстремальных внешних условиях в связи с развитием геофизических исследований, созданием ядерных энергетических устройств, повышением технических параметров авиационной техники и развитием космонавтики. Аппаратура должна теперь работать при высоких и низких температурах, при наличии значительных градиентов температуры, при радиационном облучении, при наличии сильных электромагнитных полей, при больших статических и динамических механических нагрузках, при воздействии микроорганизмов и агрессивных сред. При этом иногда невозможно использовать специальные средства защиты ( термостаты, радиационные и электромагнитные экраны, механическое демпфирование ) из-за требования одновременного снижения массы, энергопотребления и стоимости. [32]

Для этого применяется механическое демпфирование пьезоэлемента. Наличие демпфера приводит к тому, что после действия возбуждающего импульса на пьезоэлемент свободные колебания последнего быстро затухают. Однако это приводит к уменьшению амплитуды колебаний пьезоэлемента, снижению чувствительности. Применение механического демпфирования может уменьшить мертвую зону вдвое. [34]

Различные добавки, позволяющие регулировать фрикционные и эксплуатационные характеристики фрикционных материалов, не должны делать их экологически вредными. Они не должны выделять токсичные газы, не должны иметь неприятного запаха и при торможении не визжать и не свистеть. Скрип тормозов вызван, как правило, высоким коэффициентом трения и большой скоростью износа материала. Решение этой проблемы сводится к переходу к более жестким материалам с меньшим коэффициентом трения, хотя часто эффективным является механическое демпфирование тормозных колодок и фрикционных дисков. [41]

Источник

Способ демпфирования пьезоэлектрических излучателей и устройство для его осуществления

Владельцы патента RU 2451933:

Использование: для демпфирования пьезоэлектрических излучателей. Сущность: заключается в том, что пьезопластину возбуждают путем кратковременного подключения с помощью первого ключа к источнику возбуждения, после чего разряжают через разрядный резистор, при этом через интервал времени, равный одному периоду собственных механических колебаний пьезопластины, ее закорачивают вторым ключем, при этом сопротивление разрядного резистора выбирают таким, чтобы выделившаяся на нем электрическая энергия в момент замыкания второго ключа была пропорциональна потерям механической энергии в пьезопластине за один период ее колебаний. Технический результат: обеспечение абсолютного демпфирования пьезопластин без ухудшения их эффективности как излучателя ультразвука. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Предлагаемые способ и устройство для его реализации относятся к области неразрушающего контроля, а именно к устройствам ультразвукового контроля материалов и изделий.

Однако всем этим способам присущи недостатки. При использовании механических способов демпфирования (типа выполнения пьзопластин переменной толщины) основным недостатком является недопустимое снижение эффективности пьезопреобразователей. Это объясняется тем, что полоса пропускания пьезопластины переменной толщины как электрического элемента действительно расширяется, однако ее эффективность как излучателя ультразвука при переменной толщине снижается значительно быстрее, нежели расширяется полоса пропускания, поскольку как пространственный излучатель она перестает быть единым целым и может быть замещена группой разнесенных в пространстве излучателей разных частот с пропорциональным снижением эффективности возбуждения и приема на каждой из частот спектра. Поэтому результирующая эффективность задемпфированных таким способом пьезопластин оказывается во много раз меньшей, нежели у такой же пьезопластины постоянной толщины, что делает их в большинстве случаев непригодными для ультразвукового контроля.

При использовании физических способов (например, при использовании вольфрамо-эпоксидных смесей, наносимых на обратную сторону пьезопластины) основным недостатком является как недостаточная эффективность демпфирования, не позволяющая обеспечить прием сигнала той же пьезопластиной, которая возбуждает ультразвук, в ближней зоне, так и непредсказуемость результатов демпфирования. Эти недостатки, вероятно, могут быть устранены путем совершенствования технологии изготовления демпфера, однако при этом усложнится производство пьезопреобразователей и увеличится их стоимость.

При использовании электрических способов демпфирования обычно наблюдается полная неэффективность, поскольку быстро погасить колебания пьезопластины при ее возбуждении напряжением в сотни вольт демпфирующим устройством с питанием в несколько вольт невозможно. С другой стороны, практически невозможно реализовать достаточно быстродействующее и экономичное усилительное устройство с питанием в несколько сотен вольт, чтобы использовать его для демпфирования, поэтому подобный способ подавления колебаний при высоковольтном возбуждении пьезопластины можно рассматривать только как теоретический.

Как и прочие способы электрического демпфирования, данный способ малоэффективен, поскольку демпфирующие токи намного меньше тока возбуждения. Для увеличения эффективности демпфирования данным способом приходится по возможности уменьшать сопротивление разрядного резистора, которое в реальных устройствах обычно составляет 50-75 Ом. При этом его дальнейшее уменьшение нежелательно, т.к. это приводит к существенному снижению эффективности возбуждения, сужению полосы пропускания и к увеличению потребляемой мощности.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение абсолютного демпфирования пьезопластин без ухудшения их эффективности как излучателя ультразвука.

С этой целью предлагается способ электрического демпфирования пьезопластины, которую возбуждают путем кратковременного подключения с помощью первого ключа к источнику возбуждения, после чего разряжают через разрядный резистор, отличающийся тем, что через интервал времени, равный одному периоду собственных механических колебаний пьезопластины, ее замыкают вторым ключем, при этом сопротивление разрядного резистора выбирают таким, чтобы выделившаяся на нем электрическая энергия в момент замыкания второго ключа была пропорциональна потерям механической энергии в пьезопластине за один период ее колебаний.

Устройство для реализации этого способа содержит первый ключ, включенный последовательно с источником возбуждения и совместно с ним параллельно пьезопластине, параллельно которой также включен разрядный резистор, и отличается тем, что в него введен второй ключ, причем входы обоих ключей соединены между собой через устройство временной задержки, создающее задержку, равную одному периоду собственных механических колебаний пьезопластины, при этом вход первого ключа подключен к выходу генератора запускающего импульса, а разрядный резистор включен параллельно второму ключу или последовательно с ним.

На фиг.1, 2 показаны два варианта функциональной схемы устройства, предназначенного для реализации предлагаемого способа демпфирования пьезопластины.

Устройство содержит источник возбуждающего напряжения 1, пьезопластину 2, первый ключ 3, вход которого подключен к генератору запускающего импульса 4, разрядный резистор 5, устройство временной задержки 6, включенное между входами управления первого ключа 3 и второго ключа 7.

Устройство функционирует следующим образом. После завершения зарядного импульса, создаваемого кратковременным замыканием первого ключа 3, пьезопластина 2 начинает колебаться с резонансной частотой своей механической системы.

Очевидно, что, чтобы остановить механические колебания, необходима такая же энергия. Это условие выполняется путем замыкания пьезопластины 2 вторым ключом 7, поскольку напряжение между обкладками при этом изменится от U₁ до нуля, а следовательно, энергия, потерянная пьезопластиной, составит

При этом точно такая же фиксированная часть этой энергии, как и при заряде, превратится в энергию механических колебаний, равную по величине энергии возбуждения. Однако возникающие при разряде механические колебания будут иметь противоположную фазу. Следовательно, если зарядить пьезопластину, замкнув первый ключ, и сразу же разрядить ее, замкнув второй ключ, за интервал времени, много меньший периода колебаний ее механической системы, никаких механических колебаний не возникнет. Аналогичная картина наблюдается, если по механическому маятнику нанести почти одновременно удары одинаковой силы с двух противоположных сторон, в результате чего он останется неподвижным. Поскольку пьезопластина является относительно добротной колебательной системой, параметры запасенной в ней механической энергии (т.е. величина и фаза) к началу второго периода колебаний будут приблизительно соответствовать моменту возбуждения. Поэтому если разрядить пьезопластину в соответствии с предлагаемым способом точно через период ее собственных механических колебаний, то без учета потерь пьезопластина совершит всего одно механическое колебание, причем совершенно свободно, поскольку оба ключа 3, 7 в процессе колебания могут быть разомкнуты. После замыкания второго ключа 7 суммарная механическая энергия станет равной нулю, поскольку при разряде пьезопластины 2 ток через нее имеет противоположное направление, а следовательно, создаваемая им механическая энергия будет иметь точно такую же величину, но противоположную фазу по отношению к кинетической энергии пьезопластины, созданной возбуждающим импульсом. Это гарантирует максимальную эффективность возбуждения ультразвука при высокой и предсказуемой эффективности демпфирования. Фактически данный способ предполагает возбуждение пьезопластины и ее демпфирование двумя противоположными импульсами тока. Следует отметить, что при возбуждении пьезопластины предлагаемым способом длительность замыкания первого ключа 3 отражается только на амплитуде, но никак не отражается на результирующей форме колебаний, т.е. на характеристиках демпфирования. Продолжительность замкнутого состояния второго ключа 7 в любом случае должна быть достаточной для полного разряда пьезопластины 2.

От точности подачи разрядного импульса в предлагаемом устройстве зависит та остаточная энергия, которая остается в пьезопластине 2, а следовательно, степень демпфирования и уровень помех от процесса возбуждения. При этом погрешность всего в несколько процентов между длительностью периода механических колебаний ньезопластины и задержкой между импульсами заряда и разряда приводит к такому уровню остаточных колебаний, который с учетом очень большой энергии возбуждения делает такое демпфирование совершенно недостаточным для высокочувствительных ультразвуковых приборов. Это объясняется тем, что принятый отраженный сигнал весьма слаб, но при этом он обязательно должен превышать шум от остаточных колебаний пьезопластины, чтобы отношение сигнал/шум было существенно больше единицы (имеется в виду использование пьезопластины в совмещенном пьезопреобразователе). При этом попытки скомпенсировать временную ошибку за счет изменения соотношения между внутренними сопротивлениями обоих ключей или за счет дополнительного разряда пьезопластины не дают положительного результата, поскольку из-за наличия фазовых сдвигов такие приемы позволяют минимизировать только кинетическую энергию механических колебаний, но не потенциальную, а так как оба вида энергии имеют разные знаки, то их нельзя скомпенсировать одновременно. И только при переходе колебания через нуль потенциальная энергия равна нулю, а поэтому общая энергия пьзопластины может быть скомпенсирована предлагаемым способом. Это подтверждено экспериментальным путем.

Поэтому для решения этой проблемы предлагается использовать разрядный резистор 5 строго определенного сопротивления, подбираемого для каждого конкретного пьезопреобразователя. Включение такого резистора, сопротивление которого обычно составляет несколько килоом, параллельно пьезопластине 2 позволяет несколько уменьшить электрическую энергию, запасенную в ней к моменту включения второго ключа, и тем самым устранить второй возбуждающий импульс. Такой способ решения проблемы приемлем только тогда, когда возбуждающий импульс намного короче периода колебаний пьезопластины, т.е. в основном применим для низкочастотных преобразователей. Аналогичные результаты получаются при включении разрядного резистора 5 последовательно с вторым ключом 7. В этом случае энергия, запасенная в пьезопластине 2, не меняется, однако изменяется разрядный ток, протекающий через пьезопластину при замыкании второго ключа 7, что эквивалентно некоторому уменьшению энергии разрядного импульса.

1. Способ электрического демпфирования пьезопластины, которую возбуждают путем кратковременного подключения с помощью первого ключа к источнику возбуждения, после чего разряжают через разрядный резистор, отличающийся тем, что через интервал времени, равный одному периоду собственных механических колебаний пьезопластины, ее закорачивают вторым ключем, при этом сопротивление разрядного резистора выбирают таким, чтобы выделившаяся на нем электрическая энергия в момент замыкания второго ключа была пропорциональна потерям механической энергии в пьезопластине за один период ее колебаний.

2. Устройство для реализации способа по п.1 содержит первый ключ, включенный последовательно с источником возбуждения и совместно с ним параллельно пьезопластине, параллельно которой также включен разрядный резистор, отличающееся тем, что в него введен второй ключ, включенный параллельно пьезопластине, причем входы управления обоих ключей соединены между собой через устройство временной задержки, создающее задержку, равную одному периоду собственных механических колебаний пьезопластины, при этом вход первого ключа подключен к выходу генератора запускающего импульса, а разрядный резистор включен параллельно второму ключу или последовательно с ним.

Источник

Пьезоэлемент

Конструктивно пьезоэлемент представляет из себя пьезокерамику с нанесенными электродами. Пьезоэлементы могут быть разнообразной формы: в виде дисков, колец, трубок, пластин, сфер и др. Для вибраторов и генераторов пьезоэлементы объединяют в пьезостек, чтобы достичь лучших характеристик.

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 называется прямым пьезоэлектрическим эффектом и был открыт в 1880 г. братьями Кюри.

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.

Вам нужны устройства сбора и обработки данных с ультразвуковых датчиков? Обращайтесь к нам, мы поможем Вам выбрать!

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 [2].

Пьезоэлектрические материальные уравнения

Поляризованные пьезоэлектрические материалы характеризуются несколькими коэффициентами и соотношениями. Четыре возможные формы для пьезоэлектрических материальных уравнений показаны ниже [13]:

Свойства пьезокерамики

Связь между приложенной силой и результирующим ответом пьезоэлемента зависит от: пьезоэлектрических свойств пьезокерамики, размера и форм образца, направления электрического и механического возбуждения.

По своей природе пьезоэлектрические материалы являются анизотропными кристаллами. Рисунок 3 показывает различные направления и оси ориентации пьезоэлектрического материала. Оси 1, 2 и 3 являются соответственными аналогами осей X, Y, Z классической ортогональной системы координат, в то время как оси 4, 5, и 6 определяют оси вращения. Направление оси 3 является направлением поляризации [1]. Это направление устанавливается во время производства посредством высокого постоянного напряжения, которое создается между электродами.

и ,

Верхний индекс показывает граничные условия действующие на материал в процессе определения значения относительной диэлектрической постоянной. В частности индекс T (в этом случае) говорит о том, что диэлектрическая постоянная измеряется на свободном (не зажатом) образце [3]. А индекс S показывает, что измерения происходят при постоянной деформации пьезокерамики (в зажатом состоянии). Первый нижний индекс показывает направление диэлектрического смещения, а второй – электрического поля [1]. Формула расчета относительной диэлектрической постоянной следующая:

,

,

где с – скорость звука в материале, м/с [2]

Этот коэффициент может быть вычислен через резонансную и антирезонансную частоту по формуле.

,

Чтобы измерить эти частоты обычно используется анализатор импеданса, с помощью которого можно получить зависимость сопротивления от частоты пьезокерамики (рисунок 6).

По своей природе, резонансная частота возникает, когда система имеет очень маленькое сопротивление, в то время как антирезонанс происходит, когда система имеет очень большое сопротивление. На рисунке 6 частота которая имеет минимальное сопротивление считается резонансной ( f_r), а частота с максимальным сопротивлением – антирезонансной ( f_a).

Рисунок 5 – Виды колебаний образцов пьезокерамики разной формы

Рисунок 6 – Зависимость сопротивления от частоты у пьезокерамики [6]

Пьезомодуль d_ij (пьезоэлектрический коэффициент заряда или относительной деформации) – отношение механической деформации к приложенному электрическому полю или индуцированный электрический заряд на механическое напряжение (Кл/Н) [2]

,

Полезно помнить, что большие значения d_ij приводят к большим механическим смещениям (деформациям), что обычно добивается при проектировании ультразвуковых преобразователей. d₃₃ применяют, когда сила направлена в направлении оси поляризации (рисунок 5г). d₃₁ используют, когда сила прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом заряд возникает на электродах, так же как и в предыдущем случае (рисунок 5б). d₁₅ показывает, что заряд накапливается на электродах, которые находятся под прямым углом к изначальным поляризующим электродам и что получаемые механические колебания являются сдвиговыми (рисунок 5д).

, [10]

Пьезомодуль g_ij (пьезоэлектрическая постоянная давления) – отношение полученного электрического напряжения к приложенному давлению.

,

Индекс “33” показывает, что электрическое поле и механическое напряжение направлены по оси поляризации. Индекс “31” означает, что давление прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом напряжение снимается с тех же самых электродов, что и в случае “33”. Индекс “15” подразумевает, что приложенное напряжение является сдвиговым и результирующее электрическое поле перпендикулярно к оси поляризации. Высокое значение g_ij ведет к большим выходным электрическим напряжениям, что является желательным для сенсоров.

, [11]

,

,

,

,

,

,

Изделия, основанные на пьезоэлектрическом резонансе, требуют высокой механической добротности.

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.

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 [8].

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.

Вам нужны устройства сбора и обработки данных с ультразвуковых датчиков? Обращайтесь к нам, мы поможем Вам выбрать!

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 [1].

Источник