_06第六讲_压电陶瓷的应用

第六讲压电陶瓷应用上节课内容?某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性与拉、压有关），当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，——机械能转变为电能；反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产生机械形变，——电能转变为机械能。具有压电效应的物质（电介质）称为压电材料。FF极化面Q压电介质机械能｛电能｝正压电效应逆压电效应压电效应一、压电效应二、压电材料的压电常数石英晶体是一种各向异性的（压电材料）介质，在三维直角坐标系内的力——电作用状态如图所示：X0°切型石英晶体切片的力——电分布xzF3(σ1)F2F1F4F6F5(σ3)(σ2)(1)(3)(2)σij=dijFji=1、2、3j=1、2、3、4、5、6yF1～F3分别为沿x、y、z轴的正应力（或应力分量），F4～F6分别为绕x、y、z轴的切向应力，σ1～σ3分别是x、y、z表面由于压电效应而产生的电荷面密度。其压电方程为：jijijPd）常数（面上产生电荷时的压电方向的应力分量在）（面上产生电荷的面密度方向的应力分量在）方向的应力分量（C/N:C/m:Pa:2ijdijjPijijj1.物理机制⑴石英晶体：如图示，晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电中性被破坏，从而使其在一些特定的方向上的晶体表面出现剩余电电荷而产生的。1P2P3Pxy1P2P3PxyxFxF1P2P3PxyyFyF不受力图2石英晶体压电模型三、压电效应的物理机制⑵压电陶瓷：压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，一端的束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影像增强，而使表面的自由电荷过剩出现放电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。图5束缚电荷和自由电荷排列示意图自由电荷自由电荷电极束缚电荷⑶两种压电材料的特点石英晶体：居里点温度高（高达573℃），稳定性好，无热释电现象。但压电常数小，成本高。压电陶瓷：压电常数大，成本低。但居里点温度低，稳定性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来热干扰。利用热释电现象特性可以制作热电传感器，如红外探测。3.常用压电材料⑴压电晶体（单晶体）：石英；铌酸锂等。⑵压电陶瓷：钛酸钡；锆钛酸铅系列（PZ系列）等。⑶压电半导体和高分子压电材料（含压电薄膜）等。图石英晶体的外形(a)天然石英晶体；(b)人工石英晶体；(c)右旋石英晶体理想外形m—柱面；R—大棱面；r—小棱面；s—棱界面；x—棱角面原理和应用压电陶瓷片，也是一种发声元件，它利用压电效应工作，既可以作发声元件又可以作接收声音的元件。而且它很便宜，生日卡上的发声元件就是它。压电陶瓷片是在圆形铜底板上涂覆了一层厚约1mm的压电陶瓷，再在陶瓷表面沉积一层涂银层，涂银层和铜底板就是它的两个电极。压电陶瓷有一个奇妙的特性－压电效应：如将它弯曲，它的表面就会出现异种电荷，如反向弯曲，电荷的极性也会相反。奇妙的是如果在压电陶瓷片的两个电极上施加一定的电压，它就会发生弯曲，当电压方向改变时，弯曲的方向也随之改变。利用压电效应，有了一种声-电，电-声转换的两用器件，可以当话筒用：对压电陶瓷片讲话，使它受到声波的振动而发生前后弯曲，当然人的眼睛分辨不出这种弯曲，在压电陶瓷片的两电极就会有音频电压输出。相反地，把一定的音频电压加在压电陶瓷片的两极，由于音频电压的极性和大小不断变化，压电陶瓷片就会产生相应的弯曲运动，推动空气形成声音，这时候，它又成了喇叭。继续:日常应用等效电路(a)(b)导电层dACeeC钟表应用——等效电路压电传感器的基片结构如图，几何形状有圆片、方片、圆柱、圆筒等形状，在基片的两个相互绝缘(产生电荷)的表面镀有导电金属膜(如银膜)并焊接一对电极而成。由于压电传感器的基片一般具有较大的介电常数，电极间的距离也不大，所以压电传感器可以等效为一只电容器。根据高频电子线路的知识我们知道，石英晶体的交流等效回路是LCR电路，存在两个谐振频率：串联谐振频率ωS和并联谐振频率ωP。当ωωS时阻抗特性为容性；ωSωωP时阻抗特性为感性，ωS～ωP(工作区间)很窄。常用的压电材料的弹性模量较大，惯性质量较小，所以固有频率较高，频响特性较好。但由于输出阻抗太高，所以对测量电路要求也很高。电子钟表的工作原理是根据“电生磁、磁生电”的物理现象设计而成。即由电能转换为磁能，再由磁能转换为机械能，带动时分针运转，达到计时目的。1、晶体管摆轮钟以干电池为能源，用晶体管作为开关，摆轮游丝为振荡系统，统一机芯为J1型，外形与普通闹钟一样。2、晶体闹钟与晶体管摆轮钟一样性能，加上一个由电能供给的闹时装置。3、晶体管摆钟用电子电路控制摆作为振荡元件，外形与机械摆钟相似。4、石英钟用“石英晶体”作为振荡器，通过电子分频去控制马达运转，带动指针。走时精度很高。品种有台钟、挂钟、日历钟、闹钟、音乐钟、落地钟，也有汽车钟、舰船钟、天文钟等各种技术用钟。5、数显钟也用石英晶体作为振荡器，直接用发光管或液晶显示时间，不用机械传动。具有时、分、秒、日历、周历、月历等多种功能。6、电子表以电池为能源代替发条，不用手上弦，有多种结构，外形同机械手表，统称电子手表。电子表分为四代第一代是摆轮游丝电子手表，是以摆轮游丝作为振荡器，以微型电池为能源，通过电子线路驱动摆轮工作。第二代是音叉电子手表，是以金属音叉作为振荡器，用电子线路输出脉冲电流，使机械音叉振动。第三代是指针式石英电子手表，是利用石英谐振器作为振荡器，通过电子分频器后驱动步进马达带动轮系和指针。第四代是数字式石英电子表，它也是采用石英谐振器作为振荡器，不同的是它经过分频、计数和译码后利用显示器件以数字的形式来显示时间。前三代电子手表均带有传统的机械指针机构，而第四代采用大规模集成电路，完全脱离了传统的机械结构的全电子手表。继续:超声设备超声设备超声波加工装置及原理录象单相驱动超声旋转马达录象压电陶瓷薄膜具有大的压电常数和机电耦合系数。继续:超声波与换能器换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件超声传感器超声传感器包括超声发射器、超声接受器、定时电路和控制电路四个主要部分。它的工作原理大致是这样的：首先由超声发射器向被测物体方向发射脉冲式的超声波。发射器发出一连串超声波后即自行关闭,停止发射。同时超声接受器开始检测回声信号,定时电路也开始计时。当超声波遇到物体后,就被反射回来。等到超声接受器收到回声信号后,定时电路停止计时。此时定时电路所记录的时间,是从发射超声波开始到收到回声波信号的传播时间。利用传播时间值,可以换算出被测物体到超声传感器之间的距离。这个换算的公式很简单,即声波传播时间的一半与声波在介质中传播速度的乘积。超声传感器整个工作过程都是在控制电路控制下顺序进行超声波是一种频率高于人的可听声波频率范围的声波。（频率高于20000Hz）人类听不出超声波，但不少动物却有此本领（如蝙蝠）。①声纳人们利用超声波定向性好，在水中传播距离远特点制成声纳，可以发现潜艇和鱼群，还可以测绘海底形状。②超声波诊断仪超声波可以成像。医院利用B型超声波诊断仪做胃部、腹部检查，还可以观察胎儿的发育情况。超声波仪器③超声波速度测定器利用超声波的多普勒效应制成速度测定器，交警在高速公路上测定车辆的速度。④超声波清洗器超声波能使清洗液剧烈振动，有去污作用，人们制成超声波清洗器。⑤超声波焊接器超声波还能使塑料膜之间摩擦生热，粘合在一起，制成超声波焊接器。⑥超声波手枪（15-30千赫）可以击碎结石和体内脂肪的声学振荡器这是一种无形的振荡器，可用以击碎肾结石和胆结石。声波就这样进入到我们的体内，粉碎结石，使我们痊愈。超声无损探伤人们在使用各种材料（尤其是金属材料）的长期实践中，观察到大量的断裂现象，它曾给人类带来许多灾难事故，涉及舰船、飞机、轴类、压力容器、宇航器、核设备等。路轨断裂事故图A是超声波在试块中传播的示意图。图B为示波器接收得到的超声波信号。S称为始波，t0为电脉冲施加在压电晶片的时刻，也是发射超声波始波的初始时刻，B1称为试块的1次底面回波，t1是超声波传播到试块底面，又发射回来，被同一个探头接收的时刻。因此，t1对应于超声波在试块内往复传播的时间；B2称为试块的2次底面回波，它对应超声波在试块内往复传播到S始波t1B1B2t2t0图A脉冲超声波在试块中的传播图B直探头延迟的测量试块的上表面后，部分超声波被上表面反射，并被试块底面再次反射，即在试块内部往复传播两次后被接收到的超声波。(a)、(b)、(c)数字式超声检测仪；(d)探伤小车各种探头(a)纵波直探头；(b)横波斜探头；(c)双晶探头复合材料的C扫描图CT探伤成像（参考中国工程物理研究院应用电子学研究所资料）超声波探伤超声波探伤是目前应用十分广泛的无损探伤手段。它既可检测材料表面的缺陷，又可检测内部几米深的缺陷，这是x光探伤所达不到的深度。A型超声探伤反射波形裂纹A型超声波探伤起始波缺陷反射波底波工件缺陷钢轨探伤车滑板式探头高速钢轨探伤车铁路钢轨探测用的滚轴式探头（也称做轮式探头）铁路钢轨探头铁路钢轨对接焊缝探测用探头缺陷铁路钢轨探伤用滑板式探头焊缝管道环焊缝超声波检测装置管道环焊缝超声波检测装置原理超声探伤仪构件的超声探伤构件的超声探伤构件的超声探伤探头回波脉冲形状和频谱包络超声探伤的计算设：显示器的x轴为10s/div(格)，现测得B波与T波的距离为6格，F波与T波的距离为2格。求：1）t及tF；2）钢板的厚度及缺陷与表面的距离xF。相关录象继续压电材料的应用压电陶瓷点火器这是一种将机械力转换为电火花而点燃燃烧物的装置，是机电换能器。1958年开创利用钛酸钡（BaTiO3）陶瓷的压电效应进行点火，但这种材料着火率不高，噪音大，1962年开始试用锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷制作点火器，这种点火器广泛应用日常生活、工业生产以及军事方面，用以点燃气体和各类炸药和火箭的引燃引爆。点火器工作过程分高压产生、放电点火和点燃可燃气体三个阶段。高压产生——以圆柱形压电陶瓷元件为例，如图5-2所示。当机械力F作用于圆柱体时，晶体发生畸变，导致晶体中正负电荷中心偏移，从而在圆柱体上下表面出现自由电荷大量积聚，产生高压输出。放电点火——把压电陶瓷元件放在一个闭合回路中，并留一个适当间隙，当电压升高到该间隙的放电电压时，间隙中就产生放电火花。（2）点火器结构和工作原理点火器种类繁多，现以家用压电点火器为例说明它的结构和工作原理。如图所示的点火器，可固定在家用灶具上点燃煤气，转动凸轮开关1，利用凸轮凸出部分推动冲击块3，并压缩冲击块后的弹簧2。当凸轮凸出部分脱离冲击块后。由于弹簧弹力作用，冲击块给陶瓷压电元件4一个冲击力，便在压电元件两端产生高压，并从中间电极5输出高压，产生电火花点燃气体。•在打火机、煤气灶、燃气热水器等用具上都可以见到它的踪影。压电变压器从五十年代就开始研制压电变压器。当时以钛酸钡为主要材料。升压比较低（只有50—60倍）。输出电压3000伏左右。随着锆钛酸铅压电陶瓷材料的出现，升压比提高到300——500倍,逐步推广应用于电视机、静电复印机、负离子发生器中做为高压电源。（1）基本原理`输入压电瓷片的电振动能量通过逆压电效应转换成机械振动能，再通过正压电效应又换成电能。在这两次能量转换中实现阻抗变换（由低阻抗变成高阻抗），从而在陶瓷片的谐振频率上获得高的电压输出。现以伸缩振动的横纵向型变压器为例说明变压原理。压电变压器基本原理(2)压电变