壓電陶瓷的應(yīng)用.ppt

1、第六講 壓電陶瓷應(yīng)用,上節(jié)課內(nèi)容?,某些物質(zhì)沿其一定的方向施加壓力或拉力時，隨著形變的產(chǎn)生，會在其某兩個相對的表面產(chǎn)生符號相反的電荷（表面電荷的極性與拉、壓有關(guān)），當(dāng)外力去掉形變消失后，又重新回到不帶電的狀態(tài)， 機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽环粗?，在極化方向上（產(chǎn)生電荷的兩個表面）施加電場，它又會產(chǎn)生機(jī)械形變，電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)（電介質(zhì)）稱為壓電材料。,一、壓電效應(yīng),二、壓電材料的壓電常數(shù) 石英晶體是一種各向異性的（壓電材料）介質(zhì)，在三維直角坐標(biāo)系內(nèi)的力 電作用狀態(tài)如圖所示：,F1F3分別為沿 x、y、z 軸的正應(yīng)力（或應(yīng)力分量）， F4F6分別為繞 x、y、z軸的切向應(yīng)力， 13分別是

2、 x、y、z 表面由于壓電效應(yīng)而產(chǎn)生的電荷面密度。其壓電方程為：,1.物理機(jī)制 石英晶體：如圖示，晶體內(nèi)部正負(fù)離子的偶極矩在外力的作用下由于晶體的形變而被破壞，導(dǎo)致使晶體的電中性被破壞，從而使其在一些特定的方向上的晶體表面出現(xiàn)剩余電電荷而產(chǎn)生的。,三、壓電效應(yīng)的物理機(jī)制,壓電陶瓷： 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)機(jī)理與石英晶體大不相同，未經(jīng)極化處理的壓電陶瓷材料是不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)的。壓電陶瓷經(jīng)極化處理后，剩余極化強(qiáng)度會使與極化方向垂直的兩端出現(xiàn)束縛電荷（一端為正，另一端為負(fù)），由于這些束縛電荷的作用在陶瓷的兩個表面吸附一層來自外界的自由電荷，并使整個壓電陶瓷片呈電中性。當(dāng)對其施加一個與極化方向平行或垂直的

3、外壓力，壓電陶瓷片將會產(chǎn)生形變，片內(nèi)束縛電荷層的間距變小，一端的束縛電荷對另一端異號的束縛電荷影像增強(qiáng)，而使表面的自由電荷過剩出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)所受到的外力是拉力時，將會出現(xiàn)充電現(xiàn)象。, 兩種壓電材料的特點 石英晶體：居里點溫度高（高達(dá)573），穩(wěn)定性好，無熱釋電現(xiàn)象。但壓電常數(shù)小，成本高。 壓電陶瓷：壓電常數(shù)大，成本低。但居里點溫度低，穩(wěn)定性不如石英晶體，有熱釋電現(xiàn)象，會給傳感器帶來熱干擾。利用熱釋電現(xiàn)象特性可以制作熱電傳感器，如紅外探測。,3.常用壓電材料 壓電晶體（單晶體）：石英；鈮酸鋰等。 壓電陶瓷：鈦酸鋇；鋯鈦酸鉛系列（PZ系列）等。 壓電半導(dǎo)體和高分子壓電材料（含壓電薄膜）等。,圖石

4、英晶體的外形(a)天然石英晶體；(b)人工石英晶體；(c)右旋石英晶體理想外形 m柱面；R大棱面；r小棱面；s棱界面；x棱角面,原理和應(yīng)用,壓電陶瓷片，也是一種發(fā)聲元件，它利用壓電效應(yīng)工作，既可以作發(fā)聲元件又可以作接收聲音的元件。而且它很便宜，生日卡上的發(fā)聲元件就是它。壓電陶瓷片是在圓形銅底板上涂覆了一層厚約1mm的壓電陶瓷，再在陶瓷表面沉積一層涂銀層，涂銀層和銅底板就是它的兩個電極。壓電陶瓷有一個奇妙的特性壓電效應(yīng)：如將它彎曲，它的表面就會出現(xiàn)異種電荷，如反向彎曲，電荷的極性也會相反。奇妙的是如果在壓電陶瓷片的兩個電極上施加一定的電壓，它就會發(fā)生彎曲，當(dāng)電壓方向改變時，彎曲的方向也隨之改變。

5、,利用壓電效應(yīng)，有了一種聲-電，電-聲轉(zhuǎn)換的兩用器件，可以當(dāng)話筒用：對壓電陶瓷片講話，使它受到聲波的振動而發(fā)生前后彎曲，當(dāng)然人的眼睛分辨不出這種彎曲，在壓電陶瓷片的兩電極就會有音頻電壓輸出。相反地，把一定的音頻電壓加在壓電陶瓷片的兩極，由于音頻電壓的極性和大小不斷變化，壓電陶瓷片就會產(chǎn)生相應(yīng)的彎曲運(yùn)動，推動空氣形成聲音，這時候，它又成了喇叭。,繼續(xù):日常應(yīng)用,鐘表應(yīng)用等效電路 壓電傳感器的基片結(jié)構(gòu)如圖，幾何形狀有圓片、方片、圓柱、圓筒等形狀，在基片的兩個相互絕緣(產(chǎn)生電荷)的表面鍍有導(dǎo)電金屬膜(如銀膜)并焊接一對電極而成。由于壓電傳感器的基片一般具有較大的介電常數(shù)，電極間的距離也不大，所以壓電

6、傳感器可以等效為一只電容器。,根據(jù)高頻電子線路的知識我們知道，石英晶體的交流等效回路是LCR電路，存在兩個諧振頻率：串聯(lián)諧振頻率S 和并聯(lián)諧振頻率P 。當(dāng)S 時阻抗特性為容性； S P 時阻抗特性為感性，S P (工作區(qū)間)很窄。常用的壓電材料的彈性模量較大，慣性質(zhì)量較小，所以固有頻率較高，頻響特性較好。但由于輸出阻抗太高，所以對測量電路要求也很高。,電子鐘表的工作原理,是根據(jù)“電生磁、磁生電”的物理現(xiàn)象設(shè)計而成。即由電能轉(zhuǎn)換為磁能，再由磁能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動時分針運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到計時目的。 1、晶體管擺輪鐘 以干電池為能源，用晶體管作為開關(guān)，擺輪游絲為振蕩系統(tǒng)，統(tǒng)一機(jī)芯為J1型，外形與普通鬧鐘一樣

7、。 2、晶體鬧鐘 與晶體管擺輪鐘一樣性能，加上一個由電能供給的鬧時裝置。 3、晶體管擺鐘 用電子電路控制擺作為振蕩元件，外形與機(jī)械擺鐘相似。 4、石英鐘 用“石英晶體”作為振蕩器，通過電子分頻去控制馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動指針。走時精度很高。品種有臺鐘、掛鐘、日歷鐘、鬧鐘、音樂鐘、落地鐘，也有汽車鐘、艦船鐘、天文鐘等各種技術(shù)用鐘。 5、數(shù)顯鐘 也用石英晶體作為振蕩器，直接用發(fā)光管或液晶顯示時間，不用機(jī)械傳動。具有時、分、秒、日歷、周歷、月歷等多種功能。 6、電子表 以電池為能源代替發(fā)條，不用手上弦，有多種結(jié)構(gòu)，外形同機(jī)械手表，統(tǒng)稱電子手表。,電子表分為四代,第一代是擺輪游絲電子手表，是以擺輪游絲作為振蕩

8、器，以微型電池為能源，通過電子線路驅(qū)動擺輪工作。 第二代是音叉電子手表，是以金屬音叉作為振蕩器，用電子線路輸出脈沖電流，使機(jī)械音叉振動。 第三代是指針式石英電子手表，是利用石英諧振器作為振蕩器，通過電子分頻器后驅(qū)動步進(jìn)馬達(dá)帶動輪系和指針。 第四代是數(shù)字式石英電子表，它也是采用石英諧振器作為振蕩器，不同的是它經(jīng)過分頻、計數(shù)和譯碼后利用顯示器件以數(shù)字的形式來顯示時間。 前三代電子手表均帶有傳統(tǒng)的機(jī)械指針機(jī)構(gòu)，而第四代采用大規(guī)模集成電路，完全脫離了傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的全電子手表。,繼續(xù):超聲設(shè)備,超聲設(shè)備,超聲波加工裝置及原理錄象,單相驅(qū)動超聲旋轉(zhuǎn)馬達(dá)錄象,繼續(xù):超聲波與換能器,換能器是將機(jī)械振動轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

9、電信號或在電場驅(qū)動下產(chǎn)生機(jī)械振動的器件,超聲傳感器,超聲傳感器包括超聲發(fā)射器、超聲接受器、定時電路和控制電路四個主要部分。 它的工作原理大致是這樣的：首先由超聲發(fā)射器向被測物體方向發(fā)射脈沖式的超聲波。發(fā)射器發(fā)出一連串超聲波后即自行關(guān)閉,停止發(fā)射。同時超聲接受器開始檢測回聲信號,定時電路也開始計時。當(dāng)超聲波遇到物體后,就被反射回來。等到超聲接受器收到回聲信號后,定時電路停止計時。此時定時電路所記錄的時間,是從發(fā)射超聲波開始到收到回聲波信號的傳播時間。利用傳播時間值,可以換算出被測物體到超聲傳感器之間的距離。這個換算的公式很簡單,即聲波傳播時間的一半與聲波在介質(zhì)中傳播速度的乘積。超聲傳感器整個工作

10、過程都是在控制電路控制下順序進(jìn)行,超聲波是一種頻率高于人的可聽聲波頻率范圍的聲波。（頻率高于20000 Hz ）,人類聽不出超聲波，但不少動物卻有此本領(lǐng)（如蝙蝠）。,聲納 人們利用超聲波定向性好，在水中傳播距離遠(yuǎn)特點制成聲納，可以發(fā)現(xiàn)潛艇和魚群，還可以測繪海底形狀。,超聲波診斷儀超聲波可以成像。醫(yī)院利用 B 型超聲波診斷儀做胃部、腹部檢查，還可以觀察胎兒的發(fā)育情況。,超聲波儀器,超聲波速度測定器 利用超聲波的多普勒效應(yīng)制成速度測定器，交警在高速公路上測定車輛的速度。,超聲波清洗器 超聲波能使清洗液劇烈振動，有去污作用，人們制成超聲波清洗器。,超聲波焊接器超聲波還能使塑料膜之間摩擦生熱，粘合在一

11、起，制成超聲波焊接器。,超聲波手槍 （15-30千赫）,可以擊碎結(jié)石和體內(nèi)脂肪的聲學(xué)振蕩器,這是一種無形的振蕩器，可用以擊碎腎結(jié)石和膽結(jié)石。聲波就這樣進(jìn)入到我們的體內(nèi)，粉碎結(jié)石，使我們?nèi)?超聲無損探傷,人們在使用各種材料（尤其是金屬材料）的長期實踐中，觀察到大量的斷裂現(xiàn)象，它曾給人類帶來許多災(zāi)難事故，涉及艦船、飛機(jī)、軸類、壓力容器、宇航器、核設(shè)備等。,路軌斷裂事故,圖A是超聲波在試塊中傳播的示意圖。圖B為示波器接收得到的超聲波信號。S稱為始波，t0為電脈沖施加在壓電晶片的時刻，也是發(fā)射超聲波始波的初始時刻，B1稱為試塊的1次底面回波， t1是超聲波傳播到試塊底面，又發(fā)射回來，被同一個探頭接

12、收的時刻。因此， t1對應(yīng)于超聲波在試塊內(nèi)往復(fù)傳播的時間； B2 稱為試塊的2次底面回波，它對應(yīng)超聲波在試塊內(nèi)往復(fù)傳播到,圖A 脈沖超聲波在試塊中的傳播,圖B 直探頭延遲的測量,試塊的上表面后，部分超聲波被上表面反射，并被試塊底面再次反射，即在試塊內(nèi)部往復(fù)傳播兩次后被接收到的超聲波。,超聲波檢測儀 (a)、 (b)、 (c) 數(shù)字式超聲檢測儀； (d) 探傷小車,各種探頭 (a) 縱波直探頭； (b) 橫波斜探頭； (c) 雙晶探頭,復(fù)合材料的C掃描圖,CT探傷成像,（參考中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所資料）,超聲波探傷,超聲波探傷是目前應(yīng)用十分廣泛的無損探傷手段。它既可檢測材料表面的缺陷

13、，又可檢測內(nèi)部幾米深的缺陷，這是x光探傷所達(dá)不到的深度。,A型超聲探傷反射波形,裂紋,A型超聲波探傷,起始波 缺陷反射波 底波,工件,缺陷,鋼軌探傷車,滑板式探頭,高速鋼軌探傷車,鐵路鋼軌探測用的滾軸式探頭（也稱做輪式探頭）,鐵路鋼軌探頭,鐵路鋼軌對接焊縫探測用探頭,缺陷,鐵路鋼軌探傷用滑板式探頭,焊縫,管道環(huán)焊縫超聲波檢測裝置,管道環(huán)焊縫超聲波檢測裝置原理,超聲探傷儀,構(gòu)件的超聲探傷,構(gòu)件的超聲探傷,構(gòu)件的超聲探傷,探頭回波脈沖形狀和頻譜包絡(luò),超聲探傷的計算,設(shè)：顯示器的x軸為10s/ div (格)，現(xiàn)測得B波與T波的距離為6格，F(xiàn)波與T波的距離為2格。 求：1）t 及tF ； 2）鋼板的

14、厚度 及缺陷與表面的距離xF 。,相關(guān)錄象,繼續(xù),壓電材料的應(yīng)用,壓電陶瓷點火器,這是一種將機(jī)械力轉(zhuǎn)換為電火花而點燃燃燒物的裝置，是機(jī)電換能器。1958年開創(chuàng)利用鈦酸鋇（BaTiO3 ）陶瓷的壓電效應(yīng)進(jìn)行點火，但這種材料著火率不高，噪音大，1962年開始試用鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷制作點火器，這種點火器廣泛應(yīng)用日常生活、工業(yè)生產(chǎn)以及軍事方面，用以點燃?xì)怏w和各類炸藥和火箭的引燃引爆。,點火器工作過程分高壓產(chǎn)生、放電點火和點燃可燃?xì)怏w三個階段。高壓產(chǎn)生以圓柱形壓電陶瓷元件為例，如圖5-2所示。當(dāng)機(jī)械力F作用于圓柱體時，晶體發(fā)生畸變，導(dǎo)致晶體中正負(fù)電荷中心偏移，從而在圓柱體上下表面出現(xiàn)自由電荷大量

15、積聚，產(chǎn)生高壓輸出。放電點火把壓電陶瓷元件放在一個閉合回路中，并留一個適當(dāng)間隙，當(dāng)電壓升高到該間隙的放電電壓時，間隙中就產(chǎn)生放電火花。,（2）點火器結(jié)構(gòu)和工作原理點火器種類繁多，現(xiàn)以家用壓電點火器為例說明它的結(jié)構(gòu)和工作原理。 如圖所示的點火器，可固定在家用灶具上點燃煤氣，轉(zhuǎn)動凸輪開關(guān)1，利用凸輪凸出部分推動沖擊塊3，并壓縮沖擊塊后的彈簧2。當(dāng)凸輪凸出部分脫離沖擊塊后。由于彈簧彈力作用，沖擊塊給陶瓷壓電元件4一個沖擊力，便在壓電元件兩端產(chǎn)生高壓，并從中間電極5輸出高壓，產(chǎn)生電火花點燃?xì)怏w。,在打火機(jī)、煤氣灶、燃?xì)鉄崴鞯扔镁呱隙伎梢砸姷剿嫩櫽啊?壓電變壓器,從五十年代就開始研制壓電變壓器。當(dāng)時

16、以鈦酸鋇為主要材料。升壓比較低（只有5060倍）。輸出電壓3000伏左右。隨著鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料的出現(xiàn)，升壓比提高到300500倍,逐步推廣應(yīng)用于電視機(jī) 、靜電復(fù)印機(jī)、負(fù)離子發(fā)生器中做為高壓電源。 （1）基本原理輸入壓電瓷片的電振動能量通過逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動能，再通過正壓電效應(yīng)又換成電能。在這兩次能量轉(zhuǎn)換中實現(xiàn)阻抗變換（由低阻抗變成高阻抗），從而在陶瓷片的諧振頻率上獲得高的電壓輸出。現(xiàn)以伸縮振動的橫縱向型變壓器為例說明變壓原理。,壓電變壓器基本原理,(2) 壓電變壓器的應(yīng)用壓電變壓器主要用于高壓、低功率和正弦波變換的情況，具有輸出電壓高，重量輕，體積小，無泄漏磁場、不燃燒等獨特優(yōu)點。為

17、了獲得多個電壓輸出，根據(jù)橫縱變壓器的輸出電壓與長度成正比，越靠近發(fā)電部分端頭，電壓越高，我們可在發(fā)電部分的不同位置制作電極作為抽頭，從而獲得不同的電壓輸出。,（4） 壓電陶瓷風(fēng)扇 利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)可制成小型的壓電陶瓷風(fēng)扇，具有體積小，不會發(fā)熱，無嘈聲、低功耗、壽命長等優(yōu)點。圖5-9是一個壓電陶瓷彎曲變形器，它由兩片壓電陶瓷片夾一金屬薄片構(gòu)成，陶瓷片在外電場作用下產(chǎn)生伸縮運(yùn)動。若兩片陶瓷片加反向電壓，則一邊收縮另一邊伸長，使金屬片彎曲變形，若外加交變電壓，金屬片將作周期性振動。 壓電陶瓷風(fēng)扇是由兩個彎曲變形器組成，如圖5-10，接通交流電源后，兩葉片就按箭頭方向做往復(fù)振動、產(chǎn)生的風(fēng)量可達(dá)

18、0.42立方米/分鐘。,壓電陶瓷在計測儀器上有廣泛的應(yīng)用，這里介紹壓電加速度計。圖5-11是壓電陶瓷加速度計的示意圖。當(dāng)被測物體加速度運(yùn)動時，放在上面的質(zhì)量為m 的質(zhì)量塊夾在中間的壓電陶瓷片產(chǎn)生壓力F，由于壓電效應(yīng)，在陶瓷片的上下電極有電壓輸出，此電壓與應(yīng)力成正比，而應(yīng)力又與加速度（也即被測物體的加速度）成正比，因而可以測得的輸出電壓求得運(yùn)動物體的加速度。,壓電振動加速計,二、壓電式加速度傳感器 可由F = ma（a 加速度，m 質(zhì)量塊質(zhì)量），將加速度轉(zhuǎn)換成力來測量。,1. 工作原理(壓電陶瓷),一、壓電式壓力傳感器 可由F = PS（P 壓力， S 受壓面積），將壓力轉(zhuǎn)換成力來測量。（動態(tài)壓

19、力測量）,得系統(tǒng)的幅頻特性輸入為a ( t ) ，x1( t )的加速度,2. 動態(tài)特性 傳感器的動態(tài)特性：應(yīng)變式加速度傳感器的模型 質(zhì)量塊的相對位移x( t ),激勵為x1( t ) , 傳感器接入測量電路的動態(tài)特性（使用電荷放大器）,幅頻特性為常量，所以質(zhì)量塊的相對位移為，,因而作用在壓電晶體上的力F(t)為:,所以電荷放大器的輸出與激勵加速度的關(guān)系為：,電荷靈敏度：,實際應(yīng)用中，由于壓電式傳感器的x( t )很小（x1m 很?。?，m也很小，而 k 很大，所以壓電式加速度傳感器的n很大（頻帶較寬），優(yōu)于應(yīng)變式傳感器，所以應(yīng)用較廣泛。,壓電式傳感器,醫(yī)療中的應(yīng)用,醫(yī)生將壓電陶瓷探頭放在人體的

20、檢查部位，通電后發(fā)出超聲波，傳到人體碰到人體的組織后產(chǎn)生回波，然后把這回波接收下來，顯示在熒光屏上，醫(yī)生便能了解人體內(nèi)部狀況。,影象文件,繼續(xù),影象文件,機(jī)器人接近覺,機(jī)器人安裝接近覺傳感器主要目的有以下三個：其一,在接觸對象物體之前,獲得必要的信息,為下一步運(yùn)動做好準(zhǔn)備工作;其二,探測機(jī)器人手和足的運(yùn)動空間中有無障礙物。如發(fā)現(xiàn)有障礙,則及時采取一定措施,避免發(fā)生碰撞;其三,為獲取對象物體表面形狀的大致信息。 超聲波是人耳聽見的一種機(jī)械波,頻率在20KHZ以上。人耳能聽到的聲音,振動頻率范圍只是20HZ20000HZ。超聲波因其波長較短、繞射小,而能成為聲波射線并定向傳播,機(jī)器人采用超聲傳感器

21、的目的是用來探測周圍物體的存在與測量物體的距離。一般用來探測周圍環(huán)境中較大的物體,不能測量距離小于30mm的物體。,現(xiàn)代其他應(yīng)用,地質(zhì)探測儀里有壓電陶瓷元件，用它可以判斷地層的地質(zhì)狀況，查明地下礦藏；,EPSON微壓電打印技術(shù)噴墨示意,微壓電打印技術(shù) 墨滴特點：圓、小、同樣尺寸、排列整齊、沒有衛(wèi)星墨滴、打印頭壽命長、噴射頻率快,傳統(tǒng)加熱式打印技術(shù)噴墨示意,傳統(tǒng)打印技術(shù) 墨滴特點：不圓、大、有大有小、排列不整齊、有衛(wèi)星墨滴、打印頭壽命短、噴射頻率慢,衣服都能發(fā)電! 新奇科技讓我無所不能.,密歇根理工大學(xué)機(jī)械工程師Jonathan Granstrom和Joel Feenstra、亞利桑那州立大學(xué)的Henry Sodano和NanoSonic公司的Kevin Farinholt在最近一期的巧妙材料和結(jié)構(gòu)雜志上發(fā)表了文章，介紹了他們在能量獲得方面的最新創(chuàng)新成果 一款利用壓電材料制成的通過背帶產(chǎn)生能量，為便攜式的電子設(shè)備充電的背包。,美國麻省理工學(xué)院建筑和規(guī)劃系的學(xué)生Thaddeus Jusczyk（中）和James Graham（右）正在嘗試?yán)萌藗冏邉訒r地板的滑動來產(chǎn)生電。,原子力顯微鏡各種成像模式的原理,法國：開發(fā)新型壓電材料 聚集雨滴中的能量,CCTV.com2008年04月07日 07:28來源：CCTV.com CCTV.com消息(環(huán)球時訊)：環(huán)保節(jié)能已經(jīng)日益成為全世界共同