1 стр. из 1

Несмотря на то, что пьезоэффект был открыт еще в XIX в., а со 2-й пол. XX в. активно развивались теория и технология создания пьезокерамических материалов, считается, что пьезокерамика — один из перспективных материалов XXI в. Основанием для такой точки зрения является то, что замечательные свойства, присущие пьезокерамике, до сих пор не в полной мере востребованы наукой, техникой и технологиями. Активное использование пьезокерамики в различных областях началось в 60–70 гг. XX в. Достаточно хорошо были изучены и использованы свойства пьезокерамических датчиков и пьезокерамических преобразователей. В настоящее время пьезокерамика широко используется для ультразвуковой диагностики в медицине, авиационном и железнодорожном транспорте, энергетике, нефтегазовом комплексе; силовая пьезокерамика — в ультразвуковой сварке, чистке поверхностей, нанесении покрытий, сверлении и т.д.

В то же время пьезокерамика еще недостаточно используется для создания генераторов, актюаторов и в комбинированных системах. Современные же требования по энергосбережению, миниатюризации, адаптивности к компьютерным системам управления и контроля все чаще заставляют производителей техники и оборудования обращаться к поиску тех или иных технологических решений с помощью пьезокерамики. В результате появляются новые типы пьезокерамики, создаются новые и совершенствуются известные пьезокерамические элементы и компоненты.

Пьезоэлектрические элементы идеальны при использовании в качестве электромеханических преобразователей. Они достаточно широко используются для изготовления пьезокерамических компонентов, узлов и устройств.

Применение пьезокерамических элементов в изделиях коммутации электрических сигналов привело к качественно новому уровню производства коммутационных изделий: кнопок, клавиатур, выключателей, переключателей и интегрированных изделий на их основе.

 Пьезокерамика обладает многими достоинствами:
— простая технология производства ведет к снижению стоимости изделий;
— высокая радиационная стойкость ставит вне конкуренции устройства на их базе, которые рассчитаны на работу в условиях радиационной стойкости;
— исключительная стойкость к действию различных агрессивных сред. Из известных в настоящее время химических соединений только плавиковая кислота способна оказать разрушающее действие на пьезокерамику. Это позволяет использовать устройства в различных химических производствах;
— диэлектрическая природа пьезоэлемента, работа за счет действия электрического поля, практически отсутствие тока и связанных с этим тепловыделений обеспечивают ему качество взрывобезопасного элемента, КПД которого близок к 100%. Это свойство позволяет использовать изделия на базе пьезотехнологии на взрывоопасных предприятиях, к числу которых относятся все нефтехимические и газохимические предприятия.

С 1990 г. началось массовое производство пьезокоммутационных изделий зарубежными фирмами.

В России первые опытные изделия появились еще в 1984–1985 г., но из-за низкого качества собственных пьезоэлектрических элементов и невозможности покупки их за рубежом эта технология не получила должного развития. В настоящее время производителями пьезокоммутационных изделий являются зарубежные фирмы: PSD (США), T.H. (Швеция), ALGRA (Швеция), SHURTER (Германия), Baran Advanced Technologies (Израиль). В России ООО «ВНИИР-Прогресс, на базе разработок Всероссийского научно-исследовательского проектно-конструкторского технологического института релестроения с опытным производством.

Достаточно простыми средствами достигнуты высокая надежность; небольшие габариты; современный дизайн; возможность работы в химически агрессивных средах, в воде, песке, металлической стружке; искробезопасная бесконтактная коммутатация с количеством коммутационных циклов, не имеющая аналогов (50 млн. циклов); широкий диапазон рабочих температур, токов и напряжений; возможность антивандального исполнения; низкая стоимость. В отличие от существующих сенсоров, емкостных, индуктивных и др., пьезокнопки не требуют дополнительного источника питания.

Основные технические характеристики
Напряжение до 1000 и более вольт.
Ток постоянный/переменный до 10 и более ампер.
Сопротивление электрического контакта «Вкл.» 0,01 Ом.
Сопротивление электрического контакта «Выкл.» более 500 Ом.
Емкость 25 пикофарад.
Количество коммутационных циклов более 50 млн.
Диапазон рабочих температур — 40 до + 125 °С
Усилие нажатия 3-5N
Степень защиты IP 68
Материал корпуса нержавеющая сталь, алюминий, латунь, пластмассы

Принцип работы пьезокнопки

Принцип работы основан на прямом физическом пьезоэффекте, т.е. при давлении на пьезоэлемент происходит его деформация. И на его обкладках (электродах) возникает напряжение, достаточное для надежного управления бесконтактными транзисторными ключами.

Конструкция пьезокнопки

На обратной стороне корпуса кнопки, который может выполняться из металла или пластмассы, установлен пьезоэлемент (3). Напряжение с его электродов, снимаемое токосъемником (4), подается на печатную плату (5), на которой смонтирована электронная схема бесконтактных транзисторных ключей, коммутирующих внешнее напряжение (ток) в нагрузке. Вся конструкция залита герметиком (6), а выводы (7) могут быть выполнены разъемом, проводами или кабелем.

Пьезокнопки функционально подразделяются на:
 1) импульсные Н.О. или Н.З. контактом — замыкание или размыкание контакта 120-500 миллисек.;
 2) продолжительные Н.О. или Н.З. — замыкание или размыкание контакта до 10 сек.
Эти кнопки выпускаются с указанными выше электрическими параметрами в исполнении с индикацией со светодиодом и светодиодным кольцом. Корпуса пьезокнопок выполняются из нержавеющей стали, анодированного алюминия красного, зеленого, голубого, черного, желтого и натурального цветов, а также из пластмасс и других материалов. Надписи выполняются фотохимическим способом, лазерной или механической гравировкой.

Установочные размеры: диаметр от 16 мм до 40 мм с резьбой М16, длиной от 8 до 20 мм, в исполнении для наружной и внутренней установок на панель. Выводы выполняются стандартным кабелем, проводом или разъемом. Кнопки могут выполняться с тактильным эффектом.

Интегрированные пьезокнопки

Интегрированные пьезокнопки требуют дополнительного питания, но, вместе с тем, значительно расширены их функциональные возможности. Путем добавления дополнительной электроники можно получить многоканальную пьезокнопку со встроенными таймерами на включение или отключение и сложные циклически повторяемые программы, а с появлением дешевых программируемых микроконтроллеров появилась возможность создания программируемых и перепрограммируемых пьезокнопок. Стало возможным создание кнопок повышенной секретности с защитой от случайных срабатываний, специальных слайдкнопок, которые срабатывают при нажатии и движении пальца в определенном направлении, скорости и т. д.

Функционально интегрированные пьезокнопки подразделяются на:
 1) продолжительные Н.О. или Н.З. — замыкание или размыкание контакта до 30 и более секунд;
2) включено\выключено Н.О. или Н.З.: при нажатии — включение и повторном нажатии — отключение;
3) с таймером времени — на включение или отключение выдержки времени;
4) с таймером времени\стоп — на включение или отключение выдержки времени с возможностью прервать выдержку;
5) однократно программируемые — в данных кнопках может быть реализована любая сложная программа на однократное или циклическое включение или отключение нагрузки с выдержками на включение и отключение. Например: после нажатия на кнопку включить нагрузку 1 на 5 мин., запретить возможность прерывать программу в течение 6 мин. после отработки 5-минутной выдержки и через 24 часа включить нагрузку 2 на время 3 мин. и далее повторять программу через каждые 48 часов. Программа записывается с помощью программатора;
6) многократно программируемые — то же, но с возможностью записи новой версии или другой программы;
7) мультипрограммные — в память микроконтроллера одновременно с помощью программатора записывается пять и более сложных программ, а пользователь может выбрать и активизировать нужную с помощью несложных манипуляций. Например: для активизации программы 3 снять напряжение питания с кнопки и подать вновь. В это время в течение трех секунд загорается дополнительный светодиод с обратной стороны кнопки, показывающий, что пользователь может активизировать любую программу путем нажатия на кнопку, чтобы активизировать программу 3, нажать три раза и подождать две секунды. Через две секунды кнопка выходит из режима активизации светодиод гаснет и кнопка остается в режиме программы 3. Т.е. если теперь нажать на кнопку, запустится программа 3, и при каждом дальнейшем нажатии будет запускаться эта программа. Для активизации другой программы выполнить все операции еще раз. При случайном пропадании напряжения питания сохраняется последняя настройка;
8) перепрограммируемые — данные кнопки позволяют пользователю записать и перезаписать программу в память микроконтроллера кнопки без программатора с помощью несложных манипуляций, перечисленных выше, что очень важно для полевых условий эксплуатации;
9) специальные — в память микроконтроллера записываются специальные программы, позволяющие преобразовать функцию времени нажатия в последовательный стандартный сигнал больше или меньше. Включение нагрузки произойдет после определенной комбинации нажатий и пауз.

К специальным относятся так называемые слайдкнопки — группа кнопок с общей мембраной позволяет создавать кнопки, которые включают нагрузку только при нажатии и перемещении пальца, в строго определенном направлении и, если нужно, и скорости (экстренное открытие дверей в самолете, электропоезде и других объектах, где нужно исключить ошибочное срабатывание).

Напряжение питания кнопок — универсальное, от 9 до 24 В переменного или постоянного тока. Кнопка потребляет 1-2 миллиампера в режиме ожидания и до 10 миллиампер в режиме отработки программы.

Выпускаются кнопки, не потребляющие энергию в режиме ожидания, что очень важно при батарейном питании. Также кнопки защищены от воздействия статического электричества. Имеется гальваническая развязка выходов с источником питания.

При необходимости изготавливаются кнопки с защитой от перегрузки и короткого замыкания.

Хранение программы при отсутствии напряжения гарантируется в течение 10 лет.

Коммутационные параметры перечислены выше в основных технических характеристиках.

Установочные размеры: диаметр от 16 мм до 40 мм с резьбой М16, длиной от 30 до 35 мм, в исполнении для наружной и внутренней установок на панель.

Пьезоклавиатуры и панели
Пьезотехнология позволяет объединять пьезокнопки в клавиатуры. В отличие от существующих сенсоров (емкостных, индуктивных), пьезосенсоры клавиатур не нужно изолировать друг от друга. Это позволяет размещать на одном металлическом листе неограниченное количество кнопок, объединять их в клавиатуры с различными схемами соединений.

 Конструкция пьезоклавиатуры

На листе металла химическим способом (анодированная фотопечать или металлофото), лазерной или механической гравировкой наносится рисунок клавиатуры или мнемосхема технологического процесса, а с обратной стороны расположены пьезоэлементы и электронные ключи, залитые герметиком. Выводы выполняются стандартным кабелем или разъемом. Конструктивно клавиатуры подразделяются: для внутренней и наружной установки, а также настольные или переносные, примером которых может быть компьютерная клавиатура с встроенным интерфейсом PS.2, USB и др.

 Принцип работы пьезоклавиатуры

Принцип работы основан на прямом физическом пьезоэффекте. При прикосновении пальцем к рисунку на клавиатуре происходит деформация пьезоэлемента, и на его обкладках возникает напряжение, достаточное для надежного управления бесконтактными транзисторными ключами. Клавиатура не требует дополнительного источника питания. Высокая надежность достигнута за счет полного отсутствия движущихся частей и полной герметизации. В зависимости от схемы соединения клавиатуры могут быть матричными, с общим проводом и смешанной схемой соединения.

Универсальные бесконтактные пьезопереключатели (командоаппараты)

В корпус пьезоклавиатуры добавлен микроконтроллер с программой. При наборе кода доступа, который в дальнейшем можно изменять, потребитель может самостоятельно:
перепрограммировать переключатель с клавиатуры изделия с помощью несложных манипуляций;
задать любой клавише любую комбинацию выходов;
если при переключении требуются дополнительные выдержки времени на включение или отключение, их можно ввести программно;
В случае аварийного отключения напряжения, система может запоминать последнее состояние или переходить в состояние «сброс». Каждое нажатие сопровождается звуковой и световой индикацией. Если изменить базовую программу, можно получить новое изделие — универсальный программируемый 12-программный, 12-канальный командоаппарат. Такое решение позволяет быстро перенастраивать и модернизировать любое оборудование.

Сфера применения бесконтактных пьезокоммутационных изделий

Современный дизайн, небольшие габариты пьезокоммутационных изделий позволяют их внедрение как в офисе банка, так и на прокатном стане. Они пригодны для управления технологическими процессами с тяжелыми и особо тяжелыми условиями эксплуатации: наличие высокой влажности или воды, пыли, песка, металлической стружки, химически агрессивной среды, больших перепадов температуры, пажаровзрывоопасной среды. Возможно применение на предприятиях:
— нефтяной, газовой и химической промышленности;
— энергетики, приборостроения, атомной промышленности;
— морского и железнодорожного транспорта, метро;
— авиационного и космического оборудования;
— автомобильной промышленности и оборудования автозаправочных комплексов;
— лифтового, шахтного оборудования;
— связи;
— пищевой, зерноперерабатывающей, и мукомольной промышленности;
— оборонного комплекса.

Полная или частичная перепечатка материалов - только разрешения администрации!