Автор: Пользователь скрыл имя, 21 Февраля 2012 в 20:47, курсовая работа
Пьезоэлектрический эффект в кристаллах был обнаружен в 1880 г. братьями П. и Ж. Кюри, наблюдавшими возникновение на поверхности пластинок, вырезанных при определённой ориентировки из кристалла кварца, электростатических зарядов под действием механических напряжений. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают при его снятии.
ВЕДЕНИЕ 4
1.ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ 5
2.ТЕНЗОР ПОЛЯРИЗАЦИИ 9
3. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПЬЕЗОЭФФЕКТА 15
3.1. Пьезоэлектрический трансформатор 15
3.2. Пьезоэлектрические форсунки 17
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 22
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 23
σ11 = σ1; σ22 = σ2; σ33 = σ3; σ23 = σ4; σ13 = σ5; σ12 = σ6;
d111 = d11; d211 = d21; d311 = d31; d123 = ½d14; d213 = ½d25.
Таким образом, при замене двух одинаковых индексов у пьезомодулей их величина не изменяется, а при замене двух разных индексов - удваивается, т.е. вводится множитель ½. Это делается для того, чтобы в уравнении для Р при суммировании одинаковых членов избежать появления множителя 2.
Запишем уравнение для Р1 в матричной форме:
Р1 = d11σ1 + ½ d16σ6 + ½ d15 σ5 + ½ d16 σ6 + d12 σ2 + ½ d14 σ4 + ½ d15 σ5 + ½ d14 σ4 + d13 σ3 .
Сложим подобные члены
и, расположив члены в порядке
возрастания индекса при
Р1 = d11σ1 + d12σ2 + d13 σ3 + d14 σ4 + d15 σ5 + d16 σ6 .
Аналогичные выражения получаются для Р2 и Р3:
Р2 = d21σ1 + d22σ2 + d23 σ3 + d24 σ4 + d25 σ5 + d26 σ6
Р3 = d31σ1 + d32σ2 + d33 σ3 + d34 σ4 + d35 σ5 + d36 σ6 .
Теперь матрица пьезомодулей примет следующий вид:
σ1 σ2 σ3 σ4 σ5 σ6
Р1 d11 d12 d13 d14 d15 d16
Р2 d21 d22 d23 d24 d25 d26
Р3 d31 d32 d33 d34 d35 d36
При рассмотрении кристаллов различных кристаллографических классов можно увидеть, что при действии простых напряжений (сжатия или растяжения) часть пьезомодулей обращается в нуль, так как не во всех кристаллографических направлениях при деформации на поверхности появляется нескомпенсированный заряд. Иными словами, для каких-либо кристаллографических направлений структура кристалла будет симметричной. Так, для кристалла γ-кварца (группа симметрии 3:2) матрица пьезомодулей прямого пьзоэффекта выглядит таким образом:
σ1 σ2 σ3 σ4 σ5 σ6
Ось Х1=Х Р1 d11 -d11 0 d14 0 0
Ось Х2=Y Р2 0 0 0 0 -d14 -2d1
Ось Х3=Z Р3 0 0 0 0 0 0
Из анализа матрицы
видно, что деформация в
В настоящие время разработана феноменологическая теория пьезоэффекта, связывающая деформации и механические напряжения с электрическим полем и поляризацией в кристаллах. Установлена система параметров, определяющих эффективность кристалла как пьезоэлектрика. Пьезоэлектрический модуль (пьезомодуль) d определяет поляризацию кристалла (или плотность заряда) при заданном приложенном механическом напряжении; пьезоэлектрическая константа определяет механическое напряжение, возникающие в зажатом кристалле под действием электрического поля; пьезоэлектрическая постоянная g характеризует электрическое напряжение в разомкнутой цепи при заданном механическом напряжении; и, наконец, пьезоэлектрическая постоянная h определяет электрическое напряжение в разомкнутой цепи при заданной механической деформации. Эти постоянные являются родственными величинами и связанны друг с другом соотношениями, включающими в себя упругие константы и диэлектрическую проницаемость кристаллов, поэтому можно пользоваться любой из них. Наиболее употребителен пьезомодуль d. Пьезоэлектрические постоянные являются тензорами, и поэтому каждый кристалл может иметь несколько независимых пьезомодулей[1].
3. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПЬЕЗОЭФФЕКТА
3.1. Пьезоэлектрический трансформатор
Пьезотрансформаторы находят
широкое применение в современной
светотехнической аппаратуре и приборах.
Они позволяют минимизировать габариты
устройств зажигания и питания
различного класса газоразрядных ламп,
создавать высокоэффективные
Впервые конструкция
Пьезотрансформатор
В зависимости от направления
поляризации
В последние годы разработаны
принципиально новые
По аналогии с электромагнитными трансформаторами с помощью электродов формируются две секции — входная и выходная (рисунок 3.1).
Принцип действия основан
на двойном преобразовании энергии:
во входной секции (секции возбуждения)
электрическая энергия
а)
б)
Рисунок 3.1 – а) Пьезотрансформатор типа Розена с продольно-поперечной поляризацией (стрелками указано направление поляризации);б) Пьезотрансформатор с продольно-поперечной поляризацией (стрелками указано направление поляризации)
В основном применяются два типа пьезотрансформаторов:
- пьезотрансформаторы Розена с продольно-поперечной поляризацией;
- пьезотрансформаторы
с поперечно-поперечной
Конструкция пьезотрансформатора Розена из-за высокого внутреннего импеданса не пригодна для передачи больших мощностей на выходную нагрузку, но обеспечивает высокий коэффициент трансформации от 100 до 10000 при выходной мощности не выше 5–10 Вт (рисунок 3.1, а).
Пьезотрансформаторы с поперечно-поперечной поляризацией (рисунок 3.1,б) имеют коэффициент трансформации 10 и менее, но обеспечивают на низкоомной нагрузке выходную мощность до 50 Вт.
Конструкция пьезотрансформатора
Розена представляла собой брусок длиной
50, толщиной 12 и шириной 3–5 мм, изготовленный
из пьезокерамического материала типа
ЦТС-43. Половина (входная секция) трансформатора
поляризована в направлении толщины,
а другая (выходная секция) поляризована
в направлении длины. Два электрода
расположены на лицевых поверхностях
входной секции, а третий электрод
— на торцевой стороне выходной
секции. Электроды наносились на поверхность
методом вжигания серебряной пасты.
Толщина серебряного
3.2. Пьезоэлектрические форсунки
Пьезоэлектрические форсунки
находят широкое применение в
современном машиностроении, например,
в аккумуляторных топливных системах
с электронным управлением «
Одним из путей совершенствования системы «коммон рейл» является уменьшение быстродействия открытия форсунки. Минимальное время открытия форсунки для электромагнита с подвижным сердечником составляет 0,5 мс, что не позволяет оперативно изменять подачу топлива. Для более быстрого срабатывания форсунки концерн «Сименс», разработал пьезокерамический инжектор, который работает вчетверо быстрее.
Известно, что при подаче электрического напряжения на пьезокерамическую пластинку, она на несколько микрон изменяет свою толщину. Пьезоэлемент, являющийся исполнительным элементом форсунки, представляет собой параллелепипед длиной 30…40 мм, состоящий из спеченных между собой 300 керамических пластинок (кристаллов).
Рисунок 3.2 – Пьезоэлемент
Для усиления пьезоэффектав керамику добавляют палладиум и цирконий. После подачи напряжения он удлиняется в общей сложности на 0,04 мм. Пьезоэлемент потребляет энергию только при подаче напряжения и регенерирует ее при выключении напряжения, таким образом являясь регенератором энергии.
Изобретателям немецкой фирмы удалось создать 280-слойный пакет из пьезокерамики, расширяющийся на 80 мкм всего за 0,1 мс - достаточно, чтобы воздействовать на иглу форсунки с усилием 6300 Н. При этом для управления используют напряжение бортовой сети автомобиля. Электрогидравлическая форсунка концерна с пьезоэлементом «Сименс» показана на рисунке 3.3.
Рисунок 3.3 – Разрез электрогидравлической форсунки фирмы Siemens.
Принцип работы форсунки «Сименс»
аналогичен работе форсунки «Бош», за
исключением регулирования
Развитием форсунок с пьезоэлементом стало перенесение управляющего клапана в нижнюю часть форсунки (рисунок 3.4).
Рисунок 3.4 – Схема форсунки с пьезоэлементом второго поколения.
Благодаря тому, что пьезофорсунки имеют намного меньшее время срабатывания, чем традиционные электромагнитные, стало возможным разделение горючей смеси на несколько отдельных микродоз: после многократных предварительных впрыскиваний очень небольших количеств горючей смеси следуют либо основное впрыскивание, либо при необходимости многие так называемые «послевпрыскивания». Время между предварительным впрыскиванием и основным впрыскиванием составляет 100мс. Объем топлива, попадающего в цилиндр в момент каждого предварительного впрыскивания, составляет 1,5 мм3. Это делается для равномерного распределения давления в камере сгорания и, соответственно, уменьшения шума, создаваемого в процессе сгорания. После впрыскивания, в свою очередь, служат для снижения токсичности отработавших газов. Если в конце цикла сгорания произвести еще одно впрыскивание в цилиндр, то оставшиеся частицы сгорают лучше. Кроме того, в случае, когда во впускной системе установлен фильтр для улавливания несгоревших частиц, такая технология за счет высокой температуры способствует его очистке. Это особенно актуально для двигателей с большим рабочим объемом.