Принцип работы пьезозажигалки – Пьезоэлемент: применение и принцип работы – Delvik.ru

Содержание

Пьезоэлемент: применение и принцип работы

Содержание:

Физические свойства пьезоэлемента
Принцип работы
Применение

Среди множества диэлектрических материалов встречаются и такие, которые обладают так называемым пьезоэффектом. На их поверхности могут возникать электрические заряды под влиянием деформации. Существует и обратный эффект, когда диэлектрики начинают деформироваться под действием внешнего электрического поля. Пьезоэлемент сам по себе не может считаться источником электроэнергии. Он всего лишь преобразует механическую энергию в электрическую, с очень низким КПД. Однако, благодаря своим качествам, пьезоэлементы широко используются в технике, в первую очередь, как источники электрических разрядов.

Физические свойства пьезоэлемента

Пьезоэлектрические материалы по своей сути довольно простые и характеризуются всего лишь двумя физическими величинами – диэлектрической проницаемостью и пьезоэлектрическим модулем. От первой величины зависит емкость пьезоэлемента, а от пьезоэлектрического модуля – электрический заряд, образующийся на электродах, после того как к ним была приложена какая-то сила.

В пьезокерамике для описания процесса применяется три модуля в зависимости от расположения силы, действующей по отношению к полярности оси пьезоэлемента.

Наиболее выраженный эффект проявляется в модуле d₃₃, в котором первая цифра индекса означает направление полярной оси вдоль оси Z традиционной системы координат, а вторая указывает на направление действующей силы вдоль этой же оси. За счет этого пьезоэлемент с величиной модуля d₃₃ существенно превышает значение комбинаций с другими направлениями.

Прямой пьезоэффект модуля измеряется в единицах кулон/ньютон (К/Н). Именно эта величина характеризует материал, из которого он изготовлен. Независимо от приложенной силы и размеров самого элемента, при воздействии силы в 1 ньютон, на электродах будет образовываться один и тот же заряд.

Для определения напряжения на электродах существует формула: U = q/C, в которой в свою очередь q = F d₃₃. Из данной формулы видно, что в отличие от заряда, напряжение будет зависеть от размеров пьезоэлемента, поскольку емкость С связана с площадью электродов и расстоянием между ними. Если в качестве примера взять емкость обычной зажигалки, равной 40 пикофарадам (пф), то приложенная сила в 1 Н даст напряжение 6 В. Соответственно, если сила увеличится до 1000 Н (100 кг), то полученное напряжение составит уже 6 кВ.

Принцип работы

Действие пьезоэлемента наиболее четко просматривается на примере зажигалки нажимного действия. При нажатии на клавишу, зажигалка выдает целую серию искр, что свидетельствует о наиболее удачном использовании пьезогенератора в данной конструкции. Чтобы представить себе принцип работы, рекомендуется рассмотреть схему упрощенной модели этого устройства. Она выполнена в виде опоры с рычагом, создающим большое усилие, воздействующее на пьезоэлемент.

Сами элементы представляют собой сплошные цилиндрические конструкции, на торцах которых расположены электроды. Они соприкасаются друг с другом, поэтому на них воздействует одинаковая сила. Ориентация каждого пьезоэлемента между собой выполнена таким образом, чтобы электроды соприкасающихся поверхностей имели один заряд, например, положительный, а противоположные концы – заряд с другим знаком. Порядок подключения необходимо обязательно соблюдать, особенно при изготовлении подобного устройства своими руками.

Под действием рычага электроды замыкаются, и возникает электрическое параллельное соединение каждого пьезоэлемента между собой. От точки соприкосновения выводится токовод с закругленным наконечником, расположенным от металлической основы на определенном расстоянии. Во время нажатия на рычаг воздушный промежуток между основой и наконечником пробивается электрической искрой. Теперь уже понятно, как работает такая зажигалка. При дальнейшем нажатии усилие возрастает, что приводит к появлению второй и последующей искр. Это будет происходить до тех пор, пока пьезоэлементы не разрушатся полностью.

Применение

Любой пьезоэлемент можно использовать в современных технических устройствах разного назначения. Они применяются в качестве кварцевых резонаторов, миниатюрных трансформаторов, пьезоэлектрических детонаторах, генераторах частоты с высокой стабильностью и во многих других местах. Каждый прибор устроен таким образом, что в нем может использоваться не только кристаллический кварц, но и элементы из поляризованной пьезокерамики.

Однако пьезоэлемент не ограничивается одними лишь зажигалками. В настоящее время ведутся работы по решению задачи, как сделать использование этих материалов более продуктивным. Данный принцип достаточно давно применяется на танцевальных площадках и стоянках автомобилей, где под давлением происходит превращение механической энергии в электрическую.

В перспективе возможно устройство более мощных энергодобывающих систем. В настоящее время разрабатываются генераторы, обладающие небольшими размерами, основой которых служит нитрид алюминия, успешно заменивший традиционный цирконат-титанат свинца. Данное устройство по своей сути является беспроводным температурным датчиком, способным накапливать энергию от различных вибраций и передавать полученные данные через установленные промежутки времени.

В настоящее время преобразователи на базе пьезоэлементов устанавливаются на реактивные самолеты. Данное техническое решение дает возможность экономии до 30% топливных ресурсов, используя колебания крыльев и самого фюзеляжа. Созданы экспериментальные светофоры, работающие от аккумуляторов, заряжающихся от колебаний воздуха, вызванных городским шумом.

В будущем эти разработки позволят ликвидировать дефицит мощностей. С помощью пьезоэлементов станет возможно получать электричество в результате движения автомобилей по специально оборудованным трассам. Даже десять километров такой пьезодороги выдадут около 5 МВт/час. Тротуары для пешеходов также внесут свой вклад в добычу электроэнергии. Данное направление очень интересное и перспективное, привлекающее внимание ученых многих стран.

electric-220.ru

Зажигалка для газовой плиты с пьезой и на батарейках, конструкция

Для безопасного пользования кухонной бытовой техникой была изобретена зажигалка для газовой плиты, имеющая индивидуальную схему внутреннего механизма. Она является эффективным приспособлением, делится на несколько видов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Стоит учитывать несколько нюансов при использовании всех вариантов. При желании можно самостоятельно изготовить приспособление, достаточно просто запастись простыми запчастями и схемами спайки.

Виды

Любая зажигалка для газовой плиты характеризуется практичностью. В отличие от спичек, не оставляет следов копоти на посуде, сразу воспламеняет выпущенный газ. Существует несколько видов устройств для розжига плит, которые отличаются источником питания и способом работы:

газовые – дают открытое пламя;
электрические – создают искру для воспламенения газа, работают от сети;
пьезозажигалка – формирует искру, которая возникает благодаря наличию пьезокристалла;
электронные работают по тому же принципу, что электрические и пьезозажигалки, но источником питания являются батарейки.

Каждый из предложенных вариантов имеет такие особенности устройства:

удобный корпус;
наличие кнопки запуска;
удлиненная часть (носик), на конце которой формируется искра.

Такая конструкция позволяет без травм для пальцев поджигать конфорку, на которой готовится еда.

Газовая

Газовая зажигалка представляет собой устройство, внутри которого расположен баллончик, а на выходе емкости — механизм с кремнием. В результате «запуска» механизма открывается клапан с газом, который поджигается с помощью искры, выбитой кремнием. Благодаря такому устройству, приспособление является практически универсальным. Его можно использовать для зажигания не только конфорок газовой плиты, но и любых горючих материалов. Баллончик с газом можно заполнить самостоятельно, но это нужно делать осторожно, потому что емкость может взорваться.

Минусы устройства – нужно держать зажигалку вдали от огня, так как температурное воздействие может вызвать воспламенение. Часто выскакивает кремний или выходит из строя система розжига. Устройство достаточно хрупкое.

Электрическая

Электрозажигалки представляют собой устройства, которые функционируют от сети с напряжением в 220 В. Зажигание осуществляется благодаря выбиванию электрической искры при нажатии кнопки. Преимуществом приборов является низкая стоимость, продолжительный срок работы и простота использования.

Недостатки:

работает только от сети;
наличие провода;
использование электрического устройства грозит поражением током;
чтобы использовать электрозажигалку, нужно иметь розетку возле плиты.

Нежелательно использовать такой вариант, если в доме есть дети, так как придется постоянно отключать устройство от сети для безопасности.

Пьезозажигалка

Пьезозажигалка работает по простому принципу. При нажатии кнопки осуществляется сжатие пьезокристалла, который выбивает искру и формирует электрический разряд в виде дуги. При взаимодействии полученной искры с газом производится розжиг конфорки.

Пьезозажилки имеют массу преимуществ:

безопасные в использовании;
не требуют подзарядки, заправки и наличия внешнего источника питания;
устройство имеет удобный и оригинальный дизайн;
продолжительный срок эксплуатации;
нет температурного ограничения.

Есть несколько минусов прибора: невозможность ремонта, также нужно время, чтобы привыкнуть к устройству. К тому же он подходит только для газовых конфорок.

На батарейках

Электронные зажигалки для газовой плиты на батарейках работают за счет выбивания искры и ее взаимодействия с газом. Приспособление имеет свои плюсы и минусы:

отличается простотой и удобством эксплуатации, но корпус стоит беречь от попадания влаги, жира, остатков пищи. Это выведет механизм из работы;

безопасное управление, но с ограниченными функциями – нельзя поджечь камин, печь или свечу, только газ;
источник питания, а именно батарейки, доступны в продаже, но требуют регулярной замены.

Газовая зажигалка обычно имеет яркий дизайн, который отличается практичностью.

На что обратить внимание при выборе

Зажигалка для газовой плиты должна в первую очередь отвечать правилам безопасности. Но, стоит обращать внимание и на такой фактор, как качество исполнения.

При выборе хорошей зажигалки для плиты с газовыми конфорками стоит учесть несколько факторов:

качество корпуса и его материал;
фирму-производителя;
внешний вид устройства, какое изделие больше подходит по типу обустройства кухни;
наличие или отсутствие розетки возле печи;
удобство эксплуатации: жесткость нажатия кнопки, ее размещение, эстетичность;
размер устройства, большой прибор будет привлекать слишком много внимания.

Некоторые виды приспособления, такие как пьезозажигалки, не поддаются ремонту. Кремниевые сложно восстановить. Дополнительно стоит обратить внимание на цвет и оформление корпуса прибора, чтобы устройство точно вписывалось в дизайн помещения.

Как сделать своими руками

Существует весьма широкий ассортимент зажигалок, но сделать «помощника» для розжига плиты можно и самостоятельно. Принцип изготовления некоторых вариантов можно изучить по схеме. Чтобы изготовить приспособление используют подручные материалы. Можно использовать запчасти от старой электроники. Главная задача зажигалок для плит – это создание высокочастотного напряжения, которое спровоцирует формирование разряда в виде электрической дуги.

Схема высоковольтного приспособления требует наличия таких деталей, как:

аккумулятор и зарядное устройство к нему. Требуемая мощность 18490/1400 мАч;
трансформатор из галогенной лампы с мощностью 50 Вт, провод 0,5 мм;
транзистор типа IRFZ44;
паяльник;
корпус, кнопка и другие мелкие элементы;

Изготовление устройства выполняется пошагово:

Параллельно к плате зарядки подсоединяется аккумулятор, который имеет два индикатора для определения уровня заряда устройства.
С помощью проводов с сечением 0,5 мм, последовательно соединяется плата зарядного устройства и резистор.
Сам резистор параллельно коммутируется с трансформатором, проводники соединяются с контактами.
К трансформатору припаивают кнопку для розжига, а уже к ней последовательно подсоединяют клавишу, отвечающую за подключение подзарядки.
Цепь смыкается благодаря припаиванию элемента контроля подзарядки к плате зарядки.
Далее схема аккуратно помещается в заготовленный корпус.

Таким образом, осуществляется и переделка электронной зажигалки для газовых плит. Вместо батареек в схему добавляется аккумулятор.

Если правильно спаять, то устройство будет обладать следующими преимуществами:

большой срок эксплуатации в сравнении с покупными устройствами;
несомненное качество прибора;
легко чинится своими руками;
заменяемые детали.

Очень легко создать устройство для розжига газовой плиты на основе аккумуляторной батарейки своими руками, когда рядом нет спичек:

нужно вырезать из фольги полоску;
замкнуть ее на контактах пальчиковой батарейки;
центр полоски создаст искру или загорится от возникновения большого напряжения

Благодаря продуманной схеме, можно создать функциональное устройство для запуска конфорок плиты.

Инструменты

Подготовка зарядки

Выбираем преобразователь IRFZ44

Разделяем трансформатор паяльником

Делаем первичную обмотку (8 оборотов)

Создаем вторичную обмотку

Делаем изоляцию

Защита изолентой

Проверяем все ли работает

Все элементы помещаем в корпус

Правила безопасности при использовании

Зажигалки для плиты должны использоваться с учетом правил безопасности. Для этого нужно:

следить за целостностью корпуса и кнопки, независимо от вида устройства. Особенно нужно учитывать это правило при работе с электрической зажигалкой, так как устройство может ударить током;
в момент зажигания конфорки с помощью электрической «помощницы», нужно избегать любого контакта провода с огнем. Если это случится, то может возникнуть короткое замыкание;
нельзя несколько раз подряд нажимать на кнопку запуска, так как устройство может перегреться и обжечь руки;
опасно класть приспособление близко к горящей конфорке, так как оно может взорваться. Термическая граница особенно важна для газовых устройств;
если производилась доработка купленного устройства или зажигалка изготавливалась самостоятельно, то постоянно нужно следить за целостностью проводов в области спайки. Это позволит избежать появления короткого замыкания;
чтобы не перегреть систему устройства, нужно периодически чистить носик корпуса от грязи, жира и нагара;
хранить приспособление для розжига следует в недоступных местах для детей;
электрическую зажигалку рекомендуется выключать из сети, если планируется долгосрочное отсутствие хозяина дома.

Если соблюдать простые правила использования электрозажигалок, то никаких травм и порчи кухонного имущества не произойдет. В этом и заключается основа пожарной безопасности в доме.

Провода и корпус должны быть целыми

Не нажимайте кнопку несколько раз подряд

Держите дальше от детей

Чистите носик прибора

Видео

Фото

posuda-gid.ru

Пьезоэлемент

Дмитрий Левкин

Пьезоэлемент – электромеханический преобразователь, изготавливаемый из пьезоэлектрических материалов, определенной формы и ориентации относительно кристаллографических осей, с помощью которого механическая энергия преобразуется в электрическую (прямой пьезоэффект), а электрическая в механическую (обратный пьезоэффект).

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.

Сменить цвет

Колебания пьезоэлемента
Диаметр: 10 мм
Толщина: 1 мм
Материал: ЦТС-26
Напряжение: 5В
Частота возбуждения: 1МГц
Масштаб колебаний: 30000:1

Посмотреть колебания

Остановить колебания

Рисунок – Колебание свободного пьезоэлемента под действием напряжения (обратный пьезоэффект)

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.

Справка: Первая статья Жака и Пьера Кюри о пьезоэлектричестве была представлена Минералогическому обществу Франции (Societe mineralogique de France) на сессии 8 Апреля 1880 года и позже Академии наук (Academie des Sciences) на сессии 24 августа 1880 года. Пьер и Жак Кюри впервые открыли прямой пьезоэлектрический эффект у кристалла турмалина. Они заметили, что если оказывать механическое давление на кристалл в определенном направлении, на противоположных сторонах кристалла возникают электрические заряды пропорциональные давлению и противоположной полярности. Позже они открыли подобный эффект у кварца и других кристаллов. В 1880 году Пьеру Кюри был только 21 год [9].

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.

Рисунок 1 – Элементарная ячейка цирконата титоната свинца (ЦТС) при температуре выше точки Кюри (слева) и при температуре ниже точки Кюри (справа)

Здесь можно кратко пояснить пьезоэлектрический эффект на примере титаната бария, часто применяемой пьезоэлектрической керамики со сравнительно простой конструкцией элементарной ячейки. Титанат бария ВаТiO₃, как и многие другие пьезокерамические вещества, аналогичен по структуре перовскиту (СаТiО₃), по которому и назван этот класс материалов. Элементарная ячейка при температурах выше, критической, которая называется также точкой Кюри, является кубической. Если температура ниже этой критической, то элементарная ячейка тетрагонально искажается по направлению к одной из кромок. В результате изменяются и расстояния между положительно и отрицательно заряженными ионами (рисунок 1, для ВаТiO₃ вместо Pb – Ba). Смещение ионов из их первоначального положения очень мало: оно составляет несколько процентов параметра элементарной ячейки. Однако такое смещение приводит к разделению центров тяжести зарядов внутри ячейки, так что образуется электрический дипольный момент. По энергетическим условиям диполи соседних элементарных ячеек кристалла упорядочиваются по областям в одинаковом направлении, образуя так называемые домены.

Рисунок 2 – Неупорядоченная поляризация (слева) и упорядоченная поляризация доменов при наложениии сильного электрического поля (справа)

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].

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.

Рисунок 3 – Направление и ориентация осей пьезоэлектрического материала

Пьезоэлемент характеризуется следующими свойствами:

а) Относительные диэлектрические постоянные

Относительная диэлектрическая постоянная является отношением диэлектрической проницаемости материала (в этом случае и ) к диэлектрической проницаемости вакуума (ε₀)

и , (1)

где ε₀ = 8,85· 10^-12, Ф/м

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:

, (2)

где – диэлектрическая проницаемость (одна из двух или ), Ф/м
t – расстояние между электродами, м,
S – площадь электрода, м²,
C – емкость, Ф

б) Резонансная частота

Собственная частота пластины по толщине f₀ вычисляется по следующей формуле

, (3)

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

Нажимайте сюда для просмотра колебаний пьезоэлемента!

Частота возбуждения f=25кГц
Масштаб колебаний 200000:1

Частота возбуждения f=73,6кГц
Масштаб колебаний 10000:1

Частота возбуждения f=280кГц
Масштаб колебаний 10000:1

Рисунок 4 – Амлитудно-частотная характеристика пьезоэлемента. Виды колебаний на разных частотах

в) Коэффициенты электромеханической связи

Коэффициенты электромеханической связи k_p, k₃₃, k₁₅, k_t и k₃₁ описывают способность пьезоэлемента превращать энергию из электрической в механическую и наоборот. Квадрат коэффициента электромеханической связи определяется как отношение накопленной преобразованной энергии одного вида (механической или электрической) к входной энергии второго вида (электрической или механической). Индекс показывает относительные направления электрических и механических величин и вид колебаний. Они могут быть связанны с модой колебаний простого преобразователя определенной формы. k_p означает взаимосвязь электрической и механической энергии в тонком круглом диске, поляризованном по толщине и колеблющемся в радиальном направлении – планарная мода (рисунок 5а). k₃₁ относится к длинному тонкому бруску с электродами на длинной поверхности. Вид колебаний – растяжение сжатие по длине (рисунок 5б). k_t связан с тонким диском или пластиной и определяет растяжения сжатия по толщине (рисунок 5в). k₃₃ соответствует длинному тонкому бруску с электродами на его концах и поляризованному по длине. Вид колебаний – растяжения сжатия по длине (рисунок 5г). k₁₅ описывает энергию преобразованную в сдвиговые колебания по толщине (рисунок 5д) [4].

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

, (4)

где f_r – резонансная частота, Гц,
f_a – антирезонансная частота, Гц [5]

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]

г) Упругие константы

Упругие свойства пьезоэлектрических материалов характеризуются упругими податливостями () или упругими жесткостями (). Упругая податливость определяет величину деформации возникающей под воздействием приложенного механического напряжения. Ввиду того, что под воздействием механического напряжения керамика порождает электрический ответ, который противодействует результирующей деформации, эффективный модуль Юнга при коротком замыкании электродов меньше чем при холостом ходе. В дополнение, жесткость различна в разных направлениях, поэтому для точного определения величины указываются электрические и механические условия. Верхний индекс E говорит о том, что замеры происходят при постоянном электрическом поле (короткое замыкание). В то время как, индекс D указывает на граничное условие – постоянное электрическое смещение (индукция), т.е. замеры происходят при холостом ходе. Первая нижняя цифра показывает направление деформации, вторая направление механического напряжения [4].

д) Пьезоэлектрические постоянные

Пьезоэлектрический модуль d – отношение механической деформации к приложенному электрическому полю (Кл/Н) [2]

, (5)

где Δx_s – изменение толщины пластины, м,
U_s – приложенное напряжение, В

Полезно помнить, что большие значения d_ij приводят к большим механическим смещениям, 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).

Пьезоэлектрическая константа давления g_ij – отношение полученного напряжения к приложенному давлению.

, (6)

где U_e – полученное напряжение, В,
d – толщина, м,
p_x – приложенное давление, Па.

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 напряжениям, что является желательным для сенсоров.

е) Коэффициент Пуассона

Коэффициент Пуассона – это отношение относительного поперечного сжатия к соответствующему относительному продольному удлинению [7]

, (7)

где µ – коэффициент Пуассона,
Δa – абсолютное приращение толщины, м,
a – толщина после деформации, м,
Δl – абсолютное приращение длины, м,
l – длина после деформации, м

ж) Температурные коэффициенты

Температурный коэффициент показывает изменение различных свойств материала (резонансная частота, емкость, размеры) при изменение температуры [6]

, (8)

где ТКЧ – температурный коэффициент резонансной частоты, ppm/˚С,
f(t₁) – резонансная частота при температуре t₁, Гц,
f(t₂) – резонансная частота при температуре t₂, Гц,
f₂₀ – резонансная частота при температуре 20˚С, Гц,
Δt – разница температур Δt = t₂ – t₁, ˚С

, (9)

где ТКЕ – температурный коэффициент емкости, ppm/˚С,
C(t₁) – емкость при температуре t₁, Ф,
C(t₂) – емкость при температуре t₂, Ф,
C₂₀ – емкость при температуре 20˚С, Ф

, (10)

где ТКЛР – температурный коэффициент линейного расширения, ppm/˚С,
l(t₁) – длина при температуре t₁, м,
l(t₂) – длина при температуре t₂, м,
l₂₀ – длина при температуре 20˚С, м

з) Скорость старения

Скорость старения это показатель изменения резонансной частоты и емкости со временем. Чтобы вычислить эту скорость, после поляризации электроды преобразователя соединяются вместе, и образец нагревается определенный период времени. Производятся замеры резонансной частоты и емкости каждые 2ⁿ (1,2,4 и 8) дня. Скорость старения вычисляется по следующей формуле [1]:

, (11)

где AR – скорость старения для резонансной частоты или емкости,
t₁, t₂ – число дней после поляризации,
, – резонансная частота или емкость через t₁ и t₂ дней после поляризации

и) Механическая добротность

Добротность – количественная характеристика резонансных свойств колебательных систем, указывающая во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду вынужденных колебаний на частоте много ниже резонансной при одинаковой амплитуде возбуждающей силы [8]. Добротность равна отношению собственной частоты ω резонансной системы к ширине Δω частотной полосы, на границах которой энергия системы при вынужденных колебаниях вдвое меньше энергии на резонансной частоте [6].

, (12)

где Q_m – механическая добротность,
f_r – резонансная частота, Гц,
f_a – антирезонансная частота, Гц,
Z_r – сопротивление при резонансе, Ом,
С – емкость, Ф

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

к) Температура Кюри

Температура Кюри – это температура при превышение которой пьезоэлектрический материал теряет свои свойства [2].

л) Плотность

, (13)

где ρ – плотность, кг/м³,
m – масса, кг,
V – объем, м³.

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.

Рисунок 7 – Порошок для изготовления пьезоэлемента

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].

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.

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].

Библиографический список

Ranier Clement Tjiptoprodjo. On a Finite Element Approach to Modeling of Piezoelectric Element Driven Compliant Mechanisms.- Saskatchewan, Canada.: University of Saskatchewan Saskatoon, April 2005
Й.Крауткремер, Г.Крауткремер. Справочник. Ультразвуковой контроль материалов.-Москва.: Металлургия, 1991.
David H. Johnson. Simulation of an ultrasonic piezoelectric transducer for NASA/JPL Mars rover.- PA, USA.: Cybersonic, Inc. of Erie, 2003.
www.piezo.com
ОСТ 11 0444-87 «Материалы пьезокерамические»
Tokin. Multilayer Piezoelectic Actuators. User’s Manual, Tokin Corporate Publisher.: 1996.
Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Т.I. Механика.- Москва.:1979.
Голямина И.П. Ультразвук.-Москва.: из-во «Советская энциклопедия», 1979
Jan Tichy, Jiry Erhart, Erwin Kittinger, Jana Privratska. Fundamentals of Piezoelectric Sensorics.- Heidelberg, Dordrecht, London, New York.: Springer, 2010

engineering-solutions.ru

Отзыв о покупке двух интересных зажигалок для газовой плиты: электронной на батарейках и с пьезоэлементом на кнопке

Всем привет!
Две интересные зажигалки сегодня у меня на обзоре — электрическая и с пьезоэлементом. Одна из них работает от батарейки (аккумулятора) типоразмера АА, а вторая не требует ничего дополнительного (ни батарейки, ни газа, ни кремния).

Давненько я уже планировал попробовать лично нечто подобное. В оффлайне конечно можно встретить почти в каждом хозяйственном магазине зажигалки для мангала и для бытовых печей. Но все они работают от газа и соответственно требует дозаправки. А герои сегодняшнего обзора выделяются как раз таки тем, что газ им не нужен вообще.

Упаковка и внешний вид.
Приехали зажигалки в фирменных упаковках. Электрическая отправляется продавцом в рандомном цвете. Мне достался синий, но может попасться и белый, и салатовый. Принципиальной разницы конечно тут нет, от цвета конструкция или качество не отличаются. Металлическая с пьезоэлементом доступна только в одном варианте.

Свой рассказ начну с более дешевой — пластиковой. Упаковка у нее простенькая — это пластиковый блистер, без дополнительной комплектации или мануала. На единственной бумажке товар именуется как Electronic Igniter Click-01, что дословно переводиться как — электронный зажигатель.

На обратной стороне говориться, что устройство работает от одной батарейки типоразмера АА на 1.5В, а так же есть и прочая информация.

В живую зажигалка оказалась несколько больше чем я себе представлял. Но это даже к лучшему, потому что в руках она лежит отлично. Выполнен корпус из матового пластика, в моем случае синего цвета. Та его часть, которая будет непосредственно находиться вблизи газовой конфорки, закрыта металлической трубкой. Качество сборки не на высшем уровне. При сильном зажатии в руке можно услышать похрустывания и скрипы.

Общая длина устройства примерно — 25см, металлической трубки — 7см, а толщина в самом широком месте — 4см.

Трубка сделана не из цельного куска металла.

Место выхода искры — сопло с отверстиями по бокам.

Никаких надписей о модели устройства о его технических особенностей на корпусе нет вообще никаких. Ноунейм в чистом виде. Отсек под единственную батарейку находиться в нижней части рукоятки. Работает зажигалка от одной пальчиковой батарейки АА на 1.5В, либо же можно использовать аккумулятор такого же типоразмера на 1.2В. Работает в обои случаях без каких либо проблем, искра на глаз вроде одинаковая.

Включается большой кнопкой, лежащей на верхней части корпуса. Нажимается с некоторым усилием, без щелчка.

Внутреннее строение.
Разберем и глянем, что внутри. Оставлю фото без комментариев, так как особо не разбираюсь в схематехнике таких зажигалок.

Проверка на практике.
Принцип работы в данной модели простой, нажимаем на единственную кнопку и получаем непрерывную искру с определенной частотой. Искра выдается до тех пор пока мы держим эту самую кнопку.

В реальности это выглядит так —

Поджигать конфорку очень удобно и нет необходимости подносить зажигалку очень близко.

В момент выхода искры потребление составляет — 2.63мА, что считаю очень экономным. Думаю даже самой простой батарейки хватит на долго, а аккумулятор на 2450мАч (тот, что использовал я) продержится наверно больше года. Во включенном состоянии, расхода энергии нет, так что можно хранить устройство с вставленным элементом питания не опасаясь быстрого саморазряда.

Перейдем к рассмотрению второго решения. Эта зажигалка стоит в два раза дороже первой и имеет немного другой принцип работы, ей не требуется батарейка или газ.

Упаковка и внешний вид.
Хоть эта зажигалка и стоит дороже первой, ее упаковка и комплектация принципиально ничем не отличается. Все очень по — простому. Но бросается сразу в глаза другое, и на упаковке и на самом устройстве везде красуется надпись — Made in Japan (сделано в Японии). Учитывая, что в Китае подделывает все, даже продукты на рынке, поверить в это очень сложно.

Называется данная модель — Spark-l.

Внешний вид напоминает пистолет. Корпус выполнен практически полностью из нержавеющей стали. Единственный пластиковый элемент небольшого размера удерживает в ровном положении трубку. В данном случае качество изготовления на две головы выше чем у пластиковой электрозажигалке. Тут все собрано идеально, нет ни люфтов ни каких то прочих косяков. Металл не тонкий, толщина стенок корпуса примерно 0.7мм, а курка — 1мм. Под давлением не гнется и не издает посторонних скрипов или похрустываний.
Общая длина корпуса от края сопла до края рукоятки — 27 см, а если взять в расчет нижний край — 29 см, длина самой ручки — 10 см, а толщина — 3.5 см, длина трубки — 13 см, а толщина — 0.8 см. Весит — 146.7 г.

На ручке выдавлена надпись — сделано в Японии.

Имеется и отверстие для подвешивания. Можно крепить либо на крючок, либо привязать темляк.

Наклейка от производителя гарантирует нам до 30 тысяч «выстрелов». Что при умеренном использовании должно гарантированно хватить на 2 года.

В руке держать удобно, хотя рукоятка мне показалась немного скользкой. Могли бы сделать какие — нибудь насечки.

Толщина стенок сопла примерно 0.5 мм. Трубка жесткая и под усилием так же не прогинается.

Искра от центральной иглы передается на корпус.

Механизм работы такой же как у электрической. Для получения искры необходимо нажать на курок, но если в электрической она выдается непрерывно, до тех пор пока кнопка в нажатом положении, то здесь импульс одноразовый. Внутри стоит обычный пьезоэлемент, как во многих современных газовых зажигалках.
При срабатывании, т.е. выстреле слышен громкий и отчетливый звук. Курок кстати тугой, поэтому не всегда удается ровно держать зажигалку.

Демонстрация работы в реальных условиях —

Заключение.
Сегодня я показал две схожие по своему предназначению, но разные как по качеству так и по принципу работы зажигалки для газовой плиты. Первая, электрическая в реальных условиях показала себя лучше. Ею оказалось удобнее и быстрее поджигать конфорку. Она не потребляет большого количества энергии, поэтому даже самой обычной батарейки будет хватать на долгое время. Но, а вот качество ее изготовления подкачало. Корпус собран не ровно, есть люфты и похрустывания. Правда и цена у нее не высокая.
Вторая зажигалка с пьезоэлементом оказалась намного качественнее. К сборке не придерешься, все собрано идеально. Металлический корпус на практике конечно долговечнее обычного пластика, есть и отверстие для шнурка. Но при реальном использовании, как мне лично показалась она уступает дешевой пластиковой. Поджечь конфорку удается не всегда с первого раза, иногда требуется 3-4 попытки, и подносить ее надо как можно ближе. Ресурса пьезоэлемента как заявляет производитель гарантированно должно хватить на 30 тысяч срабатываний. Проверить эта будешь сложно, так что подтвердить или опровергнуть не могу.

Ссылка на электронную зажигалку Electronic Igniter Click-01 — Тут.
Ссылка на пьезозажигалку SPARK-L — Тут.