Измерительные устройства и системы для микроперемещений

Пьезокерамика — материал ХХI века
Почему?
Высокая надежность – выходит на уровень электронных схем (например, интенсивность отказов пьезоэлементов <10-6 1/час) основными причинами отказов являются электропробой и разрыв соединительного шва у биморфных элементов, который происходит в результате изгибных колебаний.
Малые массогабаритные показатели – определяются размерами пьезоэлементов (массогабаритные показатели отдельных узлов систем управления могут быть снижены при применении ПД в десятки раз).
Высокая радиационная стойкость - ПД могут сохранять работоспособность при воздействии всех известных видов радиоактивного излучения.
Стойкость к действию различных агрессивных сред – из известных в настоящее время химических соединений только плавиковая кислота способна оказать разрушающее действие на пьезокерамику, что позволяет использовать ПД в ряде химических производств.
Высокая термостойкость – элементы, изготовленные из некоторых марок пьезокерамики ЦТС, ПКР не теряют своей работоспособности при температурах до 300-400°С, а на основе кобольта способны выдерживать температуру равную и более 700 °С. Разработана также высокотемпературная и высокостабильная пьезоэлектрическая керамика, предназначенная для применения в топливных системах двигателей современных автомобилей. Весьма важным является то, что данная керамика обладает значительной стойкостью к высоким температурам и противоударна. Единообразная частотная реакция делает датчики из данной керамики пригодной для любого типа автомобильного двигателя.
Возможность использования ПД непосредственно без дополнительных кинематических связей с объектом измерения – что обеспечивает отсутствие дополнительных погрешностей измерения (механических, тепловых и др.).
Диэлектрическая природа пьезоэлемента – функционирование за счет действия электрического поля (а не тока проводимости), практическое отсутствие тока и связанных с этим тепловыделений в диапазоне инфранизких частот обеспечивает ему качество взрывобезопасного элемента (возможно использование на нефтехимических производствах).

Пьезопреобразователи в машиностроении
Датчики
датчики поворота для определения угла положения;
датчики детонации;
датчики уровня заправочных жидкостей;
датчики давления для измерения давления в топливном баке с целью определения утечки топлива;
ультразвуковые дистанционные датчики (датчики предотвращения столкновений);
боковые дистанционные датчики;
задние ультразвуковые дистанционные датчики;
датчики системы сигнализации и зуммеры оповещения;
ударные сенсоры;
датчики угловой скорости и линейные акселерометры малых перегрузок, ориентированные по трем осям объекта, предназначенные для автоматизированного управления маршрутом;
датчики и актюаторы положения механизации, для обеспечения динамического регулирования;

Другие применения пьезокерамических устройств

Пьезоэлектрический эффект
Прямой и обратный пьезоэффект в первом приближении линейны и описываются линейными зависимостями, связывающими электрическую поляризацию Р с механическим напряжением T:
P = dT
Данную зависимость называют уравнением прямого пьезоэффекта. Коэффициент пропорциональности d называется пьезоэлектрическим модулем (пьезомодулем), и он служит мерой пьезоэффекта.
Обратный пьезоэффект описывается зависимостью:
S = dE,
где S - деформация; Е - напряженность электрического поля.
Пьезомодуль d для прямого и обратного эффектов имеет одно и то же значение.
Механизм пьезоэффекта связан с изменением или возникновением суммарного дипольного момента Pм при смещении зарядов под действием механических напряжений Т (прямой пьезоэффект) или изменения средних расстояний l между центрами тяжести, образующих диполь зарядов при действии электрического поля напряженностью E (обратный пьезоэффект).

Особенности пьезоэффекта
Пьезоэффект зависит не только от величины механического или электрического воздействия, но и их характера и направления сил относительно кристаллографических осей кристалла.
Пьезоэффект может возникать в результате действия как нормальных, так и касательных напряжений.
Существуют направления, для которых пьезоэффект равен нулю. Пьезоэффект описывается несколькими пьезомодулями, число которых зависит от симметрии кристалла.
При совпадении направлений поляризации и механического напряжения пьезоэффект называют продольным, а при их взаимно перпендикулярном расположении - поперечным.

Полное описание пьезоэффекта
Для более полного математического описания пьезоэлектрических свойств используют: два вектора (Е – напряженность электрического поля и D – индукция или электрическое смещение) и в силу анизотропии материала два тензора второго ранга (Т – механическое напряжение и S – деформация), которые связаны между собой матрицами упругих, пьезоэлектрических и диэлектрических постоянных. Комплекс этих постоянных в наиболее общем случае среды без центра симметрии представляет собой матрицу размерности 9х9, каждый столбец которой связан с одной из независимых переменных напряжения (компоненты упругого напряжения и электрического поля), а каждая строка с одной из зависимых переменных деформации (компоненты деформации или электрической индукции). Данная матрица симметрична и в общем случае содержит 45 коэффициентов (6 – диэлектрических проницаемостей, 21 – упругую податливость, 18 – пьезоэлектрических модулей). При учете симметрии кристаллов происходит уменьшение числа независимых коэффициентов.

Уравнения термодинамического состояния Мэзона
- пьезоэлектрические постоянные,
- диэлектрические постоянные
- коэффициенты упругости