DuraAct: пьезоэлектрические «пластырные» преобразователи для промышленности и научных исследований

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2013

PI Ceramic GmbH

Адаптроника – промышленные приборы будущего

В современных технических исследованиях разработке самонастраивающихся адаптивных систем уделяется все больше и больше внимания. Немаловажную роль в этой области играют структуры, использующие «умные материалы», позволяющие объединять в одном устройстве функции сенсора и актюатора. Эти системы разрабатываются для обнаружения изменений в их рабочей среде и реакции на них при помощи ударных воздействий, сил давления или изгиба.

За долгую историю использования в качестве адаптируемого материала пьезоактюаторы приобрели особую популярность в области мониторинга и активного демпфирования высокочастотных вибраций. Новейшие «пластырные» преобразователи DuraAct представляют собой компактное решение для подобных задач.

Будучи наклеенными на подложку или использованными как самостоятельная часть конструкции, «пластырные» преобразователи DuraAct могут обнаруживать и производить вибрации или деформации контура в источнике, внутри конструкции. Величина практически используемых отклонений имеет строгую зависимость от свойств подложки и лежит в миллиметровом диапазоне.

Универсальные пьезоэлектрические «пластырные» преобразователи DuraAct

Такие пьезоэлектрические компоненты, как преобразователи DuraAct, преобразуют электрическую энергию в механическую и наоборот. Они могут применяться в качестве высокоточных гибких актюаторов, сенсоров с высокими динамическими характеристиками или источников энергии.

«Пластырные» преобразователи DuraAct представляют собой объединенные в эластичную композитно-полимерную структуру чрезвычайно компактные элементы, в основе которых лежит тонкая пьезокерамическая фольга, заключенная между двумя проводящими пленками. Таким образом, хрупкая пьезокерамика оказывается одновременно преднапряженной механически и изолированной электрически, что делает ее настолько прочной, что такие модули могут применяться на изогнутых поверхностях с радиусом искривления до 20 мм. «Пластырные» преобразователи приклеиваются на поверхность и могут использоваться для различных целей.

Даже в приложениях с высокими динамическими характеристиками прочная конструкция обеспечивает надежность, высокую устойчивость к повреждениям и наработку на отказ более 10⁹ циклов. Скорость износа и частота отказов малы, так как твердотельные актюаторы не имеют движущихся частей.

Миниатюрные электрические генераторы для автономных систем

«Пластырные» преобразователи DuraAct могут вырабатывать электрическую энергию из механических колебаний частотой вплоть до нескольких килогерц. Этой мощности в несколько милливатт вполне достаточно, чтобы питать миниатюрные электронные устройства, например, светодиоды, сенсоры или мини-радиопередатчики для систем удаленного сбора данных.

Заказные варианты исполнения для любых применений

При помощи технологии DuraAct достигается высокая гибкость конструкции актюатора. Это означает, что преобразователи DuraAct также отлично подходят для исследовательских целей и построения прототипов. В дополнение к набору стандартных исполнений возможно изготовление структур произвольной формы для удовлетворения различных требований к геометрии, гибкости, жесткости или рабочей температуре.

Стандартные «пластырные» преобразователи DuraAct состоят лишь из одного слоя пьезокерамики. Для специализированных приборов предусмотрена возможность изготовления многослойных устройств. В актюаторах увеличение числа слоев повышает генерируемую силу при одном и том же приложенном напряжении. При независимом подключении слоев можно одновременно использовать функционал и сенсора, и актюатора.

Пьезоэлектрические преобразователи могут быть спроектированы под конкретную задачу, в том числе и в виде массива нескольких керамических элементов. Такие индивидуальные изделия могут выпускаться весьма эффективно даже маленькими партиями.

Адаптированная управляющая электроника

В зависимости от приложения, к электронике предъявляются различные требования. Для управления высокоточным позиционером с высокими динамическими характеристиками необходим малошумящий широкополосный усилитель. Активное демпфирование вибраций требует наличия быстрого сервопривода с полосой пропускания, достаточной для компенсации жесткой связи между развиваемым усилием и массой конструкции.

PI Ceramic предлагает специализированные модули усилителей с высоким разрешением для «пластырных» преобразователей DuraAct, и в любое время может разработать заказные версии, которые будут отвечать особым требованиям.

«Пластырные» преобразователи DuraAct – особенности и преимущества:

• Высокая устойчивость к повреждениям
• Выбор материала и геометрии
• Четко определенные механические и электрические параметры
• Малый период освоения производства
• Компактность
• Продолжительный срок службы
• Широкая полоса пропускания
• Индивидуальные решения
• Возможность применения на искривленных поверхностях
• Рентабельность
• Стабильное и проверенное качество
• Простота использования
• Работа в качестве актюатора, сенсора и источника питания
• Многослойный модуль, например, для комбинации актюатор-сенсор
• Высокая гибкость керамических элементов

Применение пьезопреобразователей: примеры

Режим сенсора (Рисунки 1а и 1б)

Рисунок 1.

а) Классическое применение прямого пьезоэффекта. Незначительные деформации основания вызывают смещение в «пластырном» преобразователе DuraAct и вырабатывают электрический ток, пропорциональный смещению. Преобразователи DuraAct могут регистрировать деформации, вызываемые изгибающими усилиями или давлением, демонстрируя очень высокую точность даже на высоких частотах.   б) В тот же режиме может работать массив из нескольких модулей.

• Применение для демпфирования вибраций:
  Хорошие результаты могут быть достигнуты при объединении пьезоэлектрического датчика с сервоконтроллером и управлении внешним демпфирующим механизмом сигналом от датчика.
• Мониторинг целостности конструкций (SHM):
  «Пластырные» пьезопреобразователи DuraAct могут быть использованы для мониторинга технического состояния конструкций. Сами преобразователи могут быть как частью этих конструкций, так и встраиваться в них.
• Быстрое переключение:
  Преобразователи DuraAct обеспечивают малое время отклика и длительный срок службы, поэтому являются идеальными актюаторами для подобных задач.

Режим актюатора (Рисунок 2)

Рисунок 2.	В режиме актюатора «пластырные» преобразователи DuraAct используют обратный пьезоэффект: они сжимаются при подаче напряжения. Прикрепленные к материалу подложки, «пластырные» преобразователи DuraAct работают а качестве гибких актюаторых модулей.

«Пластырные» преобразователи DuraAct обеспечивают очень широкую полосу пропускания. В сочетании с необходимой электроникой они могут использоваться в качестве позиционеров с высокими динамическими показателями и субмикронной точностью.

Мониторинг целостности конструкций (Рисунок 3)

Рисунок 3.	Принцип построения систем мониторинга целостности: один «пластырный» преобразователь DuraAct управляется электронным усилителем (в режиме актюатора) и вызывает вибрации в основании. Массив преобразователей регистрирует вибрации и передает сигналы на соответствующую управляющую электронику. Сравнение сигнала с эталоном от неповрежденной системы дает информацию о состоянии материала основания.

Целые области могут быть обследованы при помощи массива из нескольких модулей, прикрепленных к различным точкам поверхности. Также возможен режим активного мониторинга, где одна часть преобразователей используется в качестве актюаторов, а другая регистрирует генерируемые ими колебания. Дефекты в материале конструкции, такие как микротрещины, обнаруживаются посредством сравнения измеренных сигналов с сигналами, полученными от неповрежденной системы.

Адаптивные системы используют и сенсоры, и актюаторы

• Активное демпфирование вибраций:
  «Пластырный» преобразователь DuraAct используется как высокоточный сенсор и эффективный актюатор, одновременно регистрирующий и демпфирующий или исключающий нежелательные вибрации, возникающие, например, во вращающихся компонентах. Сигнал сенсора DuraAct может использоваться в качестве источника энергии для своего же модуля, при этом напряжение питания будет сдвинуто по фазе. Для повышения эффективности создаются многослойные керамические конструкции.
• Контроль профиля и формы:
  Функциональность сенсора используется для регистрации деформации, а функционал актюатора – для ее компенсации. Полученная система контроля формы обеспечивает исключительно высокую точность, вплоть до субмикронного уровня.

Адаптроника

В адаптивных устройствах используется обе функции «пластырных» преобразователей DuraAct – они служат и сенсорами, и актюаторами. Как «умные материалы», они могут приспосабливаться к различным условиям рабочей среды, таким как ударные воздействия, изгиб или давление. Адаптивные материалы используются, в частности, для снижения вибраций в транспортных средствах. Кроме того, возрастает доля их использования в машиностроении.

Сбор энергии (Рисунок 4)

Рисунок 4.	Способность преобразователей DuraAct трансформировать механическую энергию в электрическую позволяет использовать их для питания малопотребляющей электроники, делая возможным создание энергонезависимых систем.

• «Пластырные» преобразователи DuraAct могут обеспечивать энергией маломощные электронные устройства, например датчики, делая возможным создание систем с автономным питанием. 
• Отдельным направлением мониторинга целостности конструкций (SHM) является беспроводной мониторинг. Здесь «пластырные» преобразователи DuraAct могут одновременно выступать и в роли датчика контроля формы, и источника питания для радиопередатчика удаленной передачи данных. «Пластырные» преобразователи DuraAct могут заменить другие решения для источников питания в уже существующих приложениях.

Руководство по пьезопреобразователям: «пластырные» преобразователи

Принцип работы

Термин «пьезо» произошел от греческого слова, означающего «давление». В 1880 г. Жак и Пьер Кюри обнаружили, что при приложении давления к кристаллам кварца может генерироваться электрический потенциал. Ученые назвали этот феномен пьезоэлектрическим эффектом. Позже они выяснили, что при приложении электрического потенциала, пьезоэлектрические материалы изменяют форму. Это явление они назвали обратным пьезоэлектрическим эффектом.

Пьезоэффект используется в датчиках, а обратный пьезоэффект – в актюаторах.

Рисунок 5.	Поперечное сжатие.

Пьезокерамические пластины «пластырных» преобразователей DuraAct напоминают конденсатор. Керамика играет роль диэлектрика между металлическими обкладками. При подаче напряжения внутри керамики создается электрическое поле. При подаче напряжения внутри керамики создается электрическое поле, вызывающее равномерное поперечное сжатие керамики в направлении, перпендикулярном вектору этого поля (Рисунок 5). Это свойство называется поперечным пьезоэлектрическим эффектом (эффект d31, Рисунок 6).

Рисунок 6.	Эффект d31.

Напряженность электрического поля определяет величину поперечного сжатия. Это является ключевым свойством, обеспечивающим простое управление модулями преобразователей. Когда модули наклеены на основание, они, в отличие от стандартных актюаторов, эффективно передают усилие на всю рабочую поверхность, а не только на выбранные точки. И наоборот, изменения формы «пластырные» преобразователи DuraAct преобразуют в электрический ток, что делает возможным их применение в качестве сенсоров или источников энергии.

Время отклика пьезокерамики на изменение электрического поля или деформацию чрезвычайно мало. Вибрации в килогерцовом диапазоне могут и генерироваться, и регистрироваться. От типа и размеров керамики зависят требуемые напряжения возбуждения и степень сжатия. Зависимость между степенью сжатия и приложенным напряжением нелинейна. Кривая зависимости сжатия от напряжения с типичным гистерезисом показана на Рисунке 7.

Рисунок 7.	Гистерезис пьезокерамики.

Технология

Пьезопреобразователи DuraAct работают в качестве сенсоров с различными полосами пропускания, реагируя на такие механические воздействия, как ударная нагрузка, изгиб или давление, а также в качестве высокоточных позиционирующих или гибких актюаторов.

Стандартная конструкция представляет собой пьезокерамическую фольгу с металлизированными поверхностями для электрического контакта (Рисунок 8). Толщина фольги в стандартном варианте составляет 100 … 500 мкм, хотя возможны еще более тонкие слои. Без дальнейшей обработки такие пьезокерамические элементы хрупки и сложны в эксплуатации. Встраивание их в полимерную структуру обеспечивает электрическую изоляцию и механическую стабильность. В результате получается пластичный и чрезвычайно надежный модуль.

Рисунок 8.	Принцип устройства преобразователя DuraAct.

В варианте исполнения с несколькими слоями пьезокерамики при том же рабочем напряжении можно увеличить развиваемое усилие.

Пьезоэлектрические преобразователи DuraAct являются твердотельными актюаторами, и поэтому не имеют движущихся частей. Скорость износа и частота отказов малы. Электрический контакт обеспечивается пайкой, прижимом или приклеиванием проводников к двум контактным площадкам. Раздельное подключение нескольких слоев дает возможность разделить функциональности сенсора и актюатора, что позволяет использовать преобразователь и как сенсор, и как актюатор.

Рабочая характеристика

Актюаторы на основе пьезокерамических преобразователей характеризуются двумя параметрами: блокирующей силой F_B и свободным смещением S₀. Когда напряжение U приложено к свободному (не заблокированному) актюатору, он достигает своего максимального смещения S₀. Сила, требуемая для полного предотвращения любых изменений длины, называется блокирующей силой F_B (Рисунок 9).

Рисунок 9.	Определение параметров.

Рисунок 10.	Приложение усилия пружины к актюатору.

График зависимости смещения актюатора от приложенной силы называется характеристикой актюатора (Рисунок 11). Обычно она совпадает с линией, соединяющей описанные выше точки с нулевой блокирующей силой и нулевым перемещением. В большинстве случаев актюаторы противодействуют упругой структуре, например, при деформации пружины или металлической пластины (Рисунок 10). Если нагрузкой является пружина (график характеристики пружины) с жесткостью C_F, результирующая рабочая точка будет находиться на пересечении ее нагрузочной линии с характеристикой актюатора (Рисунок 11). Наибольшая эффективность достигается в том случае, когда рабочая точка находиться посередине характеристики.

Рисунок 11.	Характеристическая кривая с нагрузочной линией пружины.

Параметры гибких актюаторов

Рисунок 12.	Характеристики гибкого актюатора.

 Актюаторы DuraAct обычно наклеиваются на подложку и передают усилие не только на несколько точек крепления, а на всю поверхность. В такой конфигурации комбинация DuraAct и подложки действует как гибкий актюатор. Гибкие актюаторы обеспечивают высокую скорость, точность и повторяемость отклонения и используются в широком спектре приложений, например, в принтерах, клапанах и в текстильной промышленности. Преобразователи DuraAct основаны на обратном пьезоэффекте, следовательно, сжимаются под воздействием электрического поля. Такие актюаторные блоки изгибаются и развивают направленную по нормали силу, как показано на Рисунке 12. Для свободного незаблокированного актюаторного блока перемещение составляет W₀. Сила, необходимая для уменьшения смещения до нуля называется блокирующей силой актюаторного блока F_BW. Эта сила существенно меньше блокирующей силы самого актюатора. Линия, соединяющая эти две точки, представляет собой характеристику актюаторного модуля. На Рисунках 13 и 14 показаны зависимости максимального смещения W₀ и максимальной блокирующей силы F_BW от толщины и упругости подложки. Эти графики показывают реальные отклонения и силы, измеренные на подложках длиной 5 мм, изготовленных из различных материалов, с наклеенными «пластырными» преобразователями DuraAct P-876.A15. Вместе с собственной характеристикой DuraAct, характеристика актюаторного блока формирует основу для эффективной оценки эксплуатационных качеств актюатора в конкретном приложении. Поэтому PI Ceramic приводит эти кривые во всех технических описаниях.

Рисунок 13.	Свободное перемещение гибких актюаторов.	Рисунок 14.	Блокирующая сила гибкого актюатора.

 Требования к питанию

Для определения электрической мощности, требуемой для нормальной работы актюатора, должна быть известна его электрическая емкость. Типовая емкость преобразователей DuraAct имеет порядок нанофарад и приводится в технических описаниях. Емкость C зависит от типа пьезокерамики, ее толщины и площади. Для оценки средней электрической мощности P_m необходимо знать диапазон рабочих напряжений и частоту возбуждения.

где

f – частота
U_h – размах напряжения

Максимальная необходимая мощность (Pmax) тогда будет в π раз больше: