多层压电陶瓷变压器等效电路模型及其特性研究
压电陶瓷等效电路
压电陶瓷等效电路
压电陶瓷等效电路是一种采用压电陶瓷材料制作的可以模拟任何电子电路的设备。
它的出现可以帮助研究者快速设计电子电路，并可以通过调节参数来改变电路的性能。
由于其体积小巧、结构简单、可以实现快速设计的特点，它的应用正在不断的扩大，在电子元器件、信号处理、计算机控制、通讯技术等领域都被广泛使用。
I. Working Principle of Piezoelectric Ceramic Equivalent Circuit
压电陶瓷等效电路基于压电效应，将压电陶瓷材料连接成电路，以模拟任何电子电路。
压电效应是指当外界均匀的压力作用于压电陶瓷材料上时，会产生有方向的电位，表现出对外界压力的感应反应。
传统电路设计是采用电阻、电容、电感等元件，而压电陶瓷电路则将这些元件替换成压电陶瓷压电效应及其特性，以此模拟电路。
II. Application
压电陶瓷等效电路的应用正在不断的扩大，除了广泛应用于电子元器件中，在信号处理领域中，也可以利用该等效电路来实现信号的处理与滤波，作为图像处理及数字信号处理的重要仪器。
在微电脑控制领域中，压电陶瓷等效电路可以应用于自动控制系统，使微电脑能够更好的控制其他电子元件，并可以更好的调节参数。
另外，此电路还可以广泛应用于军事、通讯等领域，用于构建智能组件和控制系统。
Conclusion:
压电陶瓷等效电路的出现帮助研究者快速设计电子电路，并可以通过调节参数来改变电路的性能，其广泛应用已经被电子元器件、信号处理、计算机控制、通讯技术等领域所认可。
我们期待未来压电陶瓷等效电路在更多领域得到应用，高效地实现电路设计与调节工作。
压电陶瓷模拟分析报告
压电陶瓷模拟分析报告随着科技的不断发展，压电陶瓷作为一种重要的功能材料，被广泛应用于传感器、换能器等领域。
为了更好地研究和了解压电陶瓷的性能，进行模拟分析成为必不可少的一部分。
本篇报告就是一次关于压电陶瓷模拟分析的研究结果总结和分析。
在模拟分析中，我们选取了常见的压电陶瓷材料，通过有限元方法对其进行了电-机-声耦合模拟。
首先，我们根据压电效应和材料特性建立了电场、机械应力和声场耦合的物理模型。
然后，结合相关的数值计算方法，对模型进行了数值离散化，并通过计算机算法求解各个物理场的分布和频率响应。
经过模拟分析，我们得出了以下几个主要的研究结果：首先，压电陶瓷材料的固有频率与尺寸、材料参数相关。
通过模拟，我们可以得到不同尺寸和材料参数对固有频率的影响。
这对于设计和优化压电器件的频率特性非常重要。
其次，压电陶瓷材料的电-机-声耦合导致了电场和机械应力分布的非均匀性。
通过模拟，我们可以观察到电场和机械应力在不同位置和尺度上的分布特征，为压电陶瓷的应用提供指导。
此外，压电陶瓷材料的几何结构和电压信号对声场的辐射和辐射效率也有影响。
通过模拟，我们可以研究不同几何结构和电压信号对声场传播和辐射特性的影响，为实际应用中的声学传感器提供参考。
最后，通过模拟分析，我们还可以优化压电陶瓷材料的性能，提高其应用效果。
例如，调整几何结构、材料参数和激励信号等，可以使压电陶瓷材料的灵敏度和频率响应更加理想。
综上所述，压电陶瓷模拟分析是研究和优化压电器件性能的重要手段。
通过模拟分析，我们可以深入了解压电陶瓷材料的电-机-声耦合特性，为设计和优化传感器等器件提供指导和支持。
相信在不断的研究和实践中，压电陶瓷材料的应用前景将会更加广阔。
压电陶瓷变压器的研究和发展现状
Vo Vi
=
4 π2
K31
K33 Qm
l t
(1)
(1) 式中 , V o/ V i 为空载时输出电压与输入电压之比 ; Qm
为材料的机械品质因数 ; K31 、K33为材料的机电耦合系数 ; l 为
变压器发电部分的长度 ; t 为变压器的厚度 。
从上式可知 ,在材料特性不变的情况下 ,随着 l/ t 的增大 ,
图 6 两种振动模式的位移和应力分布 Fig 6 Ideal distributions of stress and displacement of two type of vi2
bration modes 2. 2. 3 弯曲 (bending) 振动模式变压器
一种在输入端采取弯曲振动模式的变压器结构如图 7 所 示[7 ] 。此变压器沿着长度方向极化 ,电极为沿厚度对称形式 ,其 中 ,一组输出端电极位于一组输入端电极中间 ,另外的一对电极 (包括输入端和输出端两组) 在对面与之对称排列 。
《功能材料》2002 ,33 (6)
591
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
式 。在输出端仍为长度扩张模式 ,以产生较高的输出电压 。这 种变压器的工作频率一般在几百 kHz ,效率在 80 %以上 。
加 ,输出端阻抗降低 ,使输出电流和功率都得到了有效的提高 。 通过改变电极面积的比例 ,可以使机械振动得到最优化 ,并应用 到 14W 荧光灯的电源上 。J uhyun Yoo 等人发现 ,当环形与点形 电极面积的比例为 3. 14 的时候 ,此压电陶瓷变压器有较好的性 能 ,工作频率在 74kHz ,开路和 500Ω 负载时 ,变压比分别为 2. 928 和 0. 344 ,比较适合驱动普通的荧光灯[9 ] 。
压电陶瓷电特性测试与分析
通过该测试可以确定0.12 mm厚度样品的fm1=8.6 kHz，fn1=8.9 kHz，0.15 mm厚度样品的谐振频率为fm2=5.9 kHz，fn2=6.2 kHz。与厂家所给标称频率9 kHz和6 kHz相比较，标称频率更接近fn。
此外，通过对比谐振频率点与厂家所标识的频率，发现所标识的频率应该是其谐振频率，只是与实际测试值存在偏差，符合行业标准SJ/T10709-1996（压电陶瓷蜂鸣片总规范）中谐振频率标识的要求，但是对于标准中关于材料、结构、电极形状等参数，厂家却并没有按标准所要求的格式标识出来。
2.2 串、并联连接测试
为了保护生态环境，欧盟成员国已规定自2006年7月1日起，所有在欧盟市场上出售的电子电气产品设备全部禁止使用铅、水银、镉、六价铬等物质。我国对生态环境的保护也是相当重视的。因此，近年来对无铅压电陶瓷进行了重点发展和开发。但无铅压电陶瓷性能相对于PZT陶瓷来说，总体性能还是不足以与PZT陶瓷相比。因此，当前乃至今后一段时间内压电陶瓷首选仍将是以PZT为基的陶瓷。
图3 ?压电振子的阻抗|Z|与频率的关系
使用HP公司E4980A CLR测试仪分别对标称频率为9 kHz的总厚度0.12 mm尺寸样品5只和标称频率为6 kHz的总厚度0.15 mm尺寸的样品5只进行扫频测量。找出阻抗最小和最大时的频率点fm、fn，按标准GB/T 6427-1999中的测量方法：使试样的阻抗最小，此时频率为谐振频率fr，见图4。
压电陶瓷蜂鸣片由一块两面印刷有电极的压电陶瓷板和一块金属板（黄铜或不锈钢等）组成。当在压电振动板的两个电极间施加直流电压时，由于逆压电效应，导致金属片机械变形。因此，当交流电压穿过电极时，金属片弯曲就会交替重复发生，从而在空气中产生声波，如图1。
多层压电陶瓷变压器及其应用技术
多层压电陶瓷变压器及其应用技术关键词：压电变压器陶瓷长度谐振工艺电极单层机械能摘要：压电陶瓷变压器是一种新型的压电换能器件，它在结构与特性上和传统的线绕铁芯电磁变压器有很大的区别，本文对压电陶瓷变压器（多层）的发展历史、主要制造工艺、工作原理及应用技术作简要的讨论。
1引言压电陶瓷变压器最早于1956年由美国人C.A.Rosen提出，他根据压电理论及压电方程对压电变压器的基本工作原理进行了阐述，并制成单层压电陶瓷变压器；之后数年，人们对压电变压器理论及其应用进行了广泛的研究，得到一些实际应用，但因特性欠佳，制造工艺不完善，成本较高等，未获得广泛的应用。
因此，20世纪60年代到70年代初可以看成压电变压器发展的初级阶段，仅限于单层压电陶瓷变压器。
1980年，中国科学家首先提出采用多层技术制造压电陶瓷变压器，并且制作出第一支多层压电陶瓷变压器，可简称MPT（MultilayerPiezoelectricTransformer）。
由于多层压电变压器具有独特的优点，更适合实际应用，因而引起各国科研人员的广泛关注。
随着电子陶瓷元器件制造技术的发展，尤其是多层陶瓷器件工艺技术的出现和日趋成熟，进入20世纪90年代，电子产品要求小型化、薄型化、高效化，多层压电变压器用于液晶显示器背光电源刚好满足了这些要求，并克服了传统电磁变压器的一些缺点，因此，以日本NEC，TDK，村田，日立金属等公司为代表的电子元器件厂家在该领域开展了大量研究，20世纪90年代末将压电变压器大量用于液晶显示器背光电源，标志着压电变压器制造技术及产业化已经成熟。
从20世纪80年代到90年代单层压电变压器技术进一步成熟，在一些小型高压电源中得到实际应用，如负离子发生器、臭氧发生器、静电喷涂等。
在我国，以清华大学材料系为代表的科研院所在20世纪70年代开始压电变压器的研究与开发，在压电变压器材料、结构、理论及制造工艺上取得一定的成果。
清华大学材料系作为在国际上最早从事多层压电变压器研究开发的机构，积极推动了我国多层压电陶瓷变压器的产业化进程。
变压器等效电路
变压器等效电路变压器是电力系统中常用的重要设备，用于改变交流电压的大小。
在电力系统中，为了进行电路分析和计算，可以采用等效电路模型来表示变压器的工作原理和性能。
本文将介绍变压器等效电路的基本原理和常见模型。
1. 变压器的基本原理变压器是由一个或多个线圈组成的，通过电磁感应的原理来改变电压。
变压器由铁心和绕组组成。
绕组分为初级绕组和次级绕组，通过将电流通过初级绕组，产生的磁场会感应到次级绕组，从而改变输出电压的大小。
变压器的基本原理是基于法拉第电磁感应定律。
2. 变压器的等效电路模型为了简化电路分析和计算，可以采用等效电路模型来代替变压器。
常见的变压器等效电路模型有两种：简化型和精确型。
2.1 简化型等效电路模型简化型等效电路模型将变压器抽象为两个卷绕电感和一个理想变压器，分别代表初级绕组和次级绕组的电感和变压器的变换关系。
在这个模型中，忽略了变压器的内阻和铁芯的磁滞特性。
2.2 精确型等效电路模型精确型等效电路模型更加符合实际变压器的工作原理，考虑了变压器的内阻和铁芯的磁滞特性。
在这个模型中，将变压器抽象为两个卷绕电感、两个卷绕电阻和一个理想变压器。
通过考虑内阻和磁滞特性，可以更加准确地描述变压器的电特性。
3. 变压器等效电路模型的参数无论是简化型还是精确型等效电路模型，都需要知道一些参数来描述变压器的性能。
常见的参数有：3.1 变压器的变比变比是指变压器的输入电压与输出电压的比值。
例如，变比为2：1表示输出电压是输入电压的两倍。
3.2 变压器的电感电感是指变压器的绕组对电流变化的阻抗。
初级绕组和次级绕组的电感分别表示为L1和L2。
3.3 变压器的内阻内阻是指变压器绕组的电阻。
初级绕组和次级绕组的内阻分别表示为R1和R2。
4. 变压器等效电路的应用变压器等效电路模型可以应用于电力系统的分析和计算中。
通过使用等效电路模型，可以更加方便地处理变压器与其他电路元件之间的相互作用。
4.1 电路分析变压器等效电路模型可以与其他电路元件一起进行电路分析，例如，计算电流、电压、功率等参数。
压电陶瓷变压器的工作模式和结构研究进展
压电陶瓷变压器的工作模式和结构研究进展作者：吴静来源：《教育教学论坛》2017年第48期摘要：本文概述了压电陶瓷变压器的各种振动模式。
着重介绍了每种振动模式压电变压器的基本结构和新结构的研究进展，并对压电陶瓷变压器未来的发展方向作了展望。
关键词：压电陶瓷变压器；振动模式；结构；研究进展中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）48-0060-04压电陶瓷变压器是利用压电陶瓷材料的压电效应来实现机电能量转换的第三代固体电子变压器。
结构上基本是由相互耦合的两个机械部分以及相互绝缘的输入和输出电路部分的两个压电陶瓷换能器组成。
传统的铁芯线绕式电磁变压器是通过电磁效应实现初级与次级之间的耦合，所以相比传统的电磁变压器，压电陶瓷变压器具有体积小、重量轻、使用时不怕击穿、变压器本身不怕燃烧、耐高温，转换效率高、抗电磁干扰等优点，而且结构简单，能批量生产，可以与其他器件集成实现设备的小型化。
已被应用在警用电击器高压电源、液晶显示背景光源、静电复印机高压电源、负离子发生器、小功率激光管电源等场合以及AC-DC转换器、DC-DC转换器等领域。
按照不同的特征可以对压电陶瓷变压器进行分类，一般根据压电陶瓷变压器工作时的机械振动模式分为长度伸缩振动型压电陶瓷变压器、厚度伸缩振动型压电陶瓷变压器、径向振动型压电陶瓷变压器、剪切振动型压电陶瓷变压器、弯曲振动型压电陶瓷变压器以及上述几种振动模式组合而成的复合振动模式压电陶瓷变压器[1]。
多年来，研究工作者基于这些工作模式设计研发出多种结构。
本文综述了这几种振动模式压电变压器的基本结构及其新结构的研究进展。
一、长度伸缩振动型压电陶瓷变压器长度伸缩振动型压电陶瓷变压器（又称为Rosen型压电陶瓷变压器）的典型结构几何示意图如图1所示。
整个陶瓷片分成输入和输出部分，输入部分上下面被覆金属电极，按照厚度方向极化；输出部分端面被覆金属电极，按照长度方向极化。
PZT系多层片式压电陶瓷微驱动器位移性能研究
式压 电陶瓷微 驱动器 应运 而生，有效的克服 了 陶瓷分层现 象，最大限度 的延长了器件的使用
寿命 。
步 证 明 多 层 片 式 压 电陶 瓷 微 驱 动 器 作 为新 型
１ Ｐ Ｚ Ｔ 概述
３ 结 果和 讨 论
Ｐ Ｚ Ｔ是 一 种 性 能 优 异 的 铁 电材 料 ， 在介 电、
一
【 关键词 】Ｐ Ｚ Ｔ压 电陶瓷微驱动 器
压 电陶瓷微 驱 动器在 一 定程度 上在 逆压 电效应的基础上制作的新型 固态执行器 ，并且 普遍应用在众多的高新技术领域 中，如精密光
学 、 微 电子 技 术 以及 电子 计 算 机 等 。而 这 些领
的 电极共烧 工艺，获得 了作用 面积在 ３ ０ ｍｍ， 总厚度在 ２ ｍｍ的多层片式压 电陶瓷微驱动器。
广泛 的重视 ，在微 型传感器 和驱 动器中都有所 涉及 ，在很大程度上 已经逐 渐成为微机 电系统
的 固态执行器件 ，在位移方面不仅 响应 快，并
且 频 谱 相 对 比较 平 坦 ，且 具有 体 积 非 常 小 ， 工 作 时 电压 极 低 的显 著 优 势 。利 用 逆 电压 效应 有
铁电、 压 电以及热释 电等方面 的效应十 分 良好 ， 普遍应用在非挥发性 的动态 随机存贮器 的制作 当中，并且在 电子材料 中的地位 日渐 突出。近 年来 ，随着社会经济发展水平 的 日益提 高，微 机 电系统获得 了更 多的发展 空间，Ｐ Ｚ Ｔ铁电薄
之 间 的 并 联 和 串联 ，如 图 １ ， 进 而 就 会 极化 陶
参考文献
［ １ 】 李 国荣 ，
殷庆瑞 ．流延 成膜技 术制备 高性 能多层 片
一种低温共烧多层压电陶瓷变压器
０ 引 言
随着 集 成 电 路 工 艺 技 术 的 发 展，各 类 电 子 产 品 向小型化、轻量 化 方 向 发 展。 传 统 变 压 器 因 其 体 积 大 ，质 量 轻 ，效 率 低 而 制 约 着 电 路 小 型 化 的 水 平 。 压 电陶瓷变压器作为 一 种 新 型 的 电 子 变 压 器，是 用 铁 电陶瓷材料烧结高 压 极 化 等 工 艺 制 造 而 成，其 具 有 无电磁噪声，转 换 效 率 高 达 ９８％，体 积 小，质 量 小， 且在使用时不怕 燃 烧，耐 辐 射，耐 潮 湿，不 易 击 穿 及 不会产生电磁干扰等特点，已被 广泛应 用 于 ＡＤＤＣ 转换器、ＤＣＤＣ 转换器及负离 子 发 生 器 等 领 域。 目
关 键 词 ：低 温 共 烧 ；压 电 陶 瓷 ；谐 振 频 率 ；升 压 比 中 图 分 类 号 ：ＴＮ３８４；ＴＭ２２ 文 献 标 识 码 ：Ａ 犇犗犐：１０．１１９７７／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４２４７４．２０１９．０３．０３０
犃犔狅狑犜犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲犆狅犳犻狉犲犱 犕狌犾狋犻犾犪狔犲狉犘犻犲狕狅犲犾犲犮狋狉犻犮犆犲狉犪犿犻犮犜狉犪狀狊犳狅狉犿犲狉
ｒａｍｉｃｍａｔｅｒｉａｌａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｓｉｎｔｅｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃａｎｂｅｒｅｄｕｃｅｄｔｏ９１０ ℃ ｂｙａｄｄｉｎｇｔｈｅｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｉｎ ｔｅｒｉｎｇａｇｅｎｔＢＢｉＣｄｉｎｔｏｒａｗｃｅｒａｍｉｃｔａｐｅｍａｔｅｒｉａｌ．Ｉｎｔｈｉｓｗｏｒｋ，ｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｐａｒｔｏｆｔｈｅｄｅｖｉｃｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｔｏａ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｂｏｏｓｔｒａｔｉｏｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅｓｏｎａｎｔｆｒｅ ｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｄｅｖｉｃｅｉｓ５３．８ｋＨｚ，ａｎｄｔｈｅｂｏｏｓｔｒａｔｉｏｃａｎｒｅａｃｈ１２００．
压电陶瓷变压器的线性及非线性模型
２．１ 模 型 １— —传 统电 路模型 在 内部谐 振频 率 附近 ，ＰＴ的传 统 电路模 型是 一
个谐 振 的带通 电路 ，如 图 １所 示 。 内部 谐 振频 率 仅 由 图 １电路 中的 Ｌ和 Ｃ确定 。Ｃｄｌ和 Ｃｄ２是 输入 电容 和输 出 电容 ，Ｒ、Ｌ、Ｃ组 成 了 串 联谐 振 支 路 ，理 想 变 压器 的变 化 比为 １： ，内 电阻 Ｒ是 由 ＰＴ 的机 械 品 质 因数 Ｑ 值确 定 的。传 统 电路 模 型 是 一个 线性 一低 功率等 级 的等效 电路 。例 如 ，用 ＨＰ４１９４Ａ测 量仪 测 量 ＰＴ的 电路参 数 时 ，ＨＰ４１９４Ａ 能 输 出 的最 大 电流 和 电压 分 别是 ２０ｍＡ 和 １Ｖ。 即 ＰＴ 的 最 大 功 耗 仅 为 ２０ｍＷ，隶 属 于 信 号 量 级 ，而 不 是 功 率 量 级 。 所 以，当 ＰＴ工作在 低 电压 和小 电流时 ，这 个 模 型是 有 意 义的 。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｅｒａｍｉｃ；ｌｉｎｅａｒ ｍｏ ｄ ｅｌ；ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｍｏｄｅｌ
１ 简 介
压 电陶瓷变 压器 （Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｒａｎｓｆｏｍｅｒ，以下 简称为 ＰＴ）是一 种 通 过 机 械 振 动 传输 电能 的 器件 ， 由于 ＰＴ具 有 电气隔 离性 能 好 、不可 燃烧 、高 功率 密 度 、体 积 小和 ＥＭＩ小等 优 点 ，所 以是 一 种 极 具 吸 引 力 的新型 传输 电 能 的 器 件 。 自 ５０年 代提 出 ＰＴ 以 来 …Ｉ，已经设 计 出 了 多 种 ＰＴ 并 得 以应 用［３－５］。在 研 究 ＰＴ 的 电气 特 性 和应 用 时 ，等 效 电路 是 基 础 知 识 。文献 ［３］应 用 线 性一无 源一二 端 口网络 的 概念 ，提 出了一个 通用一集 总参 数 一电气 等 效 电路 ，称 之 为 ＰＴ 的传统 电路模 型 。在 毫 瓦 功 率 等 级 上 ，传 统 电路 模 型较好 地 描 述 了 ＰＴ的 电气 特性 ，但 在几 瓦 ～几 十 瓦功率等 级上 ，这 个 模 型 所描 述 的 电气 特 性 与 实验 结 果有 较大 的误 差 。基 于 传统 电路 模型 ，文献 ［２］研 究 了 ＰＴ的 电气 特性 。但 近年 来 ，人 们把 ＰＴ当作 一 种功率 器 件 ，设 计 电 子 镇 流 器 和 直 流 变 换 器 ｌ６ Ｊ。 在这种 工 况 下 ，利 用 ＰＴ 的 传 统 电路 模 型 所 得 的理 论 功耗 与实 验结 果有 很大 误差 。
多层压电陶瓷片
多层压电陶瓷片多层压电陶瓷片是一种压电材料，广泛应用于传感器、换能器、滤波器等电子元器件和设备中。
它具有优异的压电性能，可将机械振动或应力转换为电信号，也可通过施加电场来引起机械变形。
以下是对多层压电陶瓷片的一些详细介绍：1. 压电效应和原理：压电效应是指某些材料在受到机械振动或应力时，会产生电荷分离现象，从而在材料上引起电场。
压电陶瓷片是一种能够表现压电效应的材料。
其压电效应的原理是通过压电陶瓷内部的微观结构，当外力作用于陶瓷片时，会引起晶格的畸变，从而使内部正负电荷分离，产生电势差，形成电场。
2. 多层结构设计：多层压电陶瓷片的设计采用了多层堆积的结构，每一层都是由压电陶瓷材料组成。
这种多层结构的设计有助于增加有效的压电系数，提高能量转换效率。
多层结构还可以提高陶瓷片的机械强度和稳定性。
3. 压电陶瓷的材料特性：多层压电陶瓷片通常由氧化铅、氧化锆等陶瓷材料制成。
这些材料具有良好的压电性能、机械强度和稳定性。
在设计中，陶瓷的晶体结构、烧结工艺等因素都会对其性能产生影响。
4. 应用领域：多层压电陶瓷片在电子领域有广泛的应用。
其中一项主要应用是在压电传感器中，用于测量压力、力、振动等物理量。
此外，它还用于制造压电换能器，将电能和机械能进行高效转换，例如压电陶瓷的应用于超声波发生器、超声波传感器等领域。
5. 压电陶瓷的优势：•高灵敏性：压电陶瓷对机械振动或应力具有高度敏感性，能够实现精确的测量和传感。
•广泛频率响应：压电陶瓷在频率响应上表现出色，适用于多种频率范围内的应用，尤其在超声波领域有广泛应用。
•稳定性：多层压电陶瓷片通过多层结构的设计，提高了其机械强度和稳定性，使其更适用于不同的环境条件。
•可定制性：压电陶瓷片的制备过程具有一定的可定制性，可以根据不同应用的需求进行设计和制造，满足特定工程要求。
6. 技术挑战和发展趋势：•纳米技术应用：近年来，纳米技术的发展为压电陶瓷的性能提升提供了新的可能。
Rosen型压电陶瓷变压器等效电路模型测试与性能分析
Rosen型压电陶瓷变压器等效电路模型测试与性能分析作者：简越李东杰曹玉琳汪能来源：《电子技术与软件工程》2018年第06期摘要脉冲功率技术能产生强电流脉冲信号，该信号可广泛用于航天、武器系统的点火设施当中，而该脉冲信号的产生依赖于高压变换器的存在。
新型的压电陶瓷变压器不同于以往的绕线式电磁高压变换器，具有抗电磁干扰能量、高转换效率、小体积、轻重量等优点。
因此对压电陶瓷变压器进行性能研究具有较高战略意义。
本文围绕Rosen型压电陶瓷变压器，从机电等效网络的角度切入，推导其等效电路模型，并进行了性能试验测试，结果显示良好。
【关键词】脉冲功率技术压电变压器机电等效网络等效电路模型1 引言脉冲功率技术是一个研究在相对较长的时间里把能量储存起来，然后经过快速压缩、转换，最后有效释放给负载的新兴科技领域。
其产生的高功率大脉冲常用于航天、武器等点火系统。
典型的脉冲功率系统的组成框图如图1。
最基本的系统由两个部分组成：一部分由低功率水平的能量储存系统;另一部分是高功率脉冲的产生和有效传输到负载。
通常使用高压变换器对大容量电容器组充电以储存能量。
传统的高压变换器通常采用的是单端反激变换器。
单端反激变换器由于其良好的输出特性，较少的绕组匝数便可获得较高的电压等优势，被广泛用于电压变换。
但是由于工作在断续模式下的反激变换器其初级电流的峰值较大，在开关管关断瞬间会产生一个较大的电压尖峰，造成很严重的射频电磁干扰问题。
除此之外单端反激变换器属于绕线式电磁变压器，其存在趋肤效应损耗、铜损和铁损，而且这些损耗随着变压器体积的减小而迅速增加，严重影响高压变换器的小型化。
因此，考虑选择更为高效、安全、可靠的高压变换器一一压电高压变换器用于脉冲功率系统中的能量变换。
压电材料是一种具有高功率密度、较低功率消耗、极具稳定性、快速响应特性等多种物理特性的材料，可以被广泛应用于各类传感器和换能器当中。
由压电材料制作而成的压电陶瓷变压器不同于普通一般的绕线式电磁变压器，避免了通过电磁耦合的方式传递能量，直接利用机电耦合，经过电能转化为机械能再转化为电能的形式实现能量传递。
压电变压器等效电路参数影响因素实验研究
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｎ３ ８ ４ 文献标识码 ： Ａ
Ｅｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎｔ ａ ｌ Ｓ ｔ ｕ ｄｙ ｏ ｎ Ｉ ｎｆ ｌ ｕ ｅ ｎｃ ｅ Ｆａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ｏ ｎ Ｅｑ ｕｉ ｖ ａ ｌ ｅ ｎ ｔ Ｃｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ Ｐａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ０ ｆ Ｐｉ ｅ ｚ Ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｏ ｒ ｍｅ ｒ ｓ
摘
要： 研 究 了长 度 伸 缩 振 动 压 电 变 压 器 在 二 阶 振 动 模 式 下 电 学 等 效 电路 参 数 的 影 响 因 素 。 设 计 和 工 艺 的压 电变 压 器 ， 并 对 其 等 效 电路 参 数进 行 了 多 次 测 量 。 实 验 测 量 值 与 理 论 计 算 值 间 的误 差 分 析 表 明 ， 压 电 变压 器 电 极 覆 盖 面 积 、 引 线 位 置 及 连 接 点 尺 寸 等 对 等 效 电路 参 数 测 量 造 成 显 著 影 响 。研 究结果 为压电变压器实际制作和测试提供 了可靠的依据 。 关键词 ： 长度伸缩振动 ； 压 电变 压 器 ； 等 效 电 路 参 数 影 响 因素 ； 误差分析 ； 压 电 变 压 器 制 作
３ ．Ｄ ａ ｈ ｅ ｎ ｇ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ， Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａｃ ａ ｄ ｅ ｍｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ４ ９ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Rosen型压电陶瓷变压器等效电路模型测试与性能分析
２压 电变压器等效模型 推导
通 常采 用求 解压 电方 程 的形式推 导 等效 电路模 型，本文通 过机电等效网络的方式进行 推 导 。 如 图 ２所 示 。
对 于一 个机 电六端 网络 ．选 用 速度 ｕ ． ｕ，和 电流 Ｉ为 自变 量 ， 力 Ｆ ，Ｆ 和 电 压 Ｖ 为 因变 量 ，则 其 传 输 方 程 为 ：
布 参 数 甲 引 入 电 阻 等 效 ， 由 此 口］得 ：
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激 变 换 器 。 单 端 反 激 变 换 器 由 于其 良好 的 输 出
特性 ，较少的绕组匝数便可 获得较 高的电压等
优 势，被广泛用于 电压变换 。但是 由于工作在
断续模 式下的反激变换器其初级 电流 的峰值较
大，在 开关管关断瞬间会产生 一个较 大的电压 尖 峰 ，造 成 很 严 重 的 射 频 电磁 干扰 问 题 。 除 此
电子技术 · Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｒｏｓｅｎ型压 电陶瓷 变压器等效 电路模 型测试与性能分析
文 ／简越 李 东 杰 曹 玉琳 汪 能
脉 冲 功 率 技 术 能 产 生 强 电 流 脉 冲 信 号 ， 该 信 号 可 广 泛 用 于航 天 、 武 器 系 统 的 点 火 设 施 当 中 ， 而 该 脉 冲 信 号 的 产 生 依 赖 于 高 压 变 挟 器 的 存 在 新 型 的 压 电 陶 瓷 变 压 器 不 同 于 以 往 的 绕 线 式 电 磁 高压 变换 器，具 有抗 电磁 干扰 能 量 、 高转换 效率 、小体 积 、轻 重 量 等优 点。 因此 对 压 电陶 瓷 变压 器进行 性 能研 究具 有较 高战略 意 义。 本 文 围 绕 Ｒｏｓｅｎ型 压 电 陶 瓷 变压 器，从 机 电等 效 网络 的 角度 切 入，推 导 其等 效电路 模 型 ，并 进 行 了 性 能 试 验 测 试 ， 结 果 显 示 良好 。
压电陶瓷阻抗特性分析
压电陶瓷阻抗特性分析摘要：本文以压电陶瓷阻抗为研究对象，首先介绍了压电陶瓷的等效模型，然后进一步分析等效模拟的匹配及效率，对比验证推理及测试结果，推出压电陶瓷阻抗特性的关系，希望可以为有需要的人提供参考意见。
关键词：压电陶瓷、阻抗分析、阻抗匹配、效率一、压电陶瓷等效电路模型在狭窄的谐振频率范围内，压电陶瓷电路模型可以用以下电路来等效：其中，称为静态电容，称为等效电容，称为等效电感，称为等效电阻。
与晶片的尺寸、电极布置方式等有关，可以用Q表电容表在远低于其谐振频率的频率上直接测得。
串联支路上的、谐振时的频率就是串联谐振频率，在频率较低时，的容抗远大于等效电阻，对测量的值的影响可以忽略。
其总阻抗为：在、和组成的串联电路中，其阻抗特性如下图所示：和决定了压电陶瓷的串联谐振频率，其值为：在这个谐振频率下，压电陶瓷的阻抗达到极小值，并且，在附近，压电陶瓷晶片是一个效率最高的发射体。
在时，和组成的串联电路呈感性，与并联等效电容组成并联谐振，其阻抗特性如图3所示：在这个并联谐振频率下，压电陶瓷的阻抗达到极大值，在附近，压电陶瓷晶片是一个效率最高的接收器。
实测结果为。
综合图2和图3，可以绘出压电陶瓷在谐振频率附近的阻抗特性如图4所示：由图4可以得出，若使，换能器处于最佳发射状态，但接收效率最低。
若使,换能器处于最佳接受状态，但发射效率最低。
所以应该在和之间折中选择。
如果使用的是2的驱动频率，所以应选择标称谐振频率（即串联谐振频率）为1.9偏下为宜。
二、超声换能器阻抗匹配通过对超声换能器的研究可知，当压电陶瓷的工作频率远低于其固有频率时，压电陶瓷的电学特性等效于一个电容器，通常称此电容为静态电容，即图1中的,可通过电容表直接测得，在超声换能器工作过程中近似为常数。
超声换能器是一种机电转换元件，具有电学和机械两种端口。
在机械端是通过声学元件与声学负载相连，在电端则是通过匹配电路与超声功率源相连。
声学匹配的好坏决定换能器的技术特性和应用场合，而电匹配的优劣则直接影响超声设备的作用效果。
压电陶瓷变压器基本工作原理及特点
独石（多层）压电陶瓷变压器基本工作原理及特点在现代，压电陶瓷制品对我们并不陌生。
正压电效应的应用主要用于燃气点火器，如燃气灶．燃气打火机等的点火系统。
基本工作原理为：由外力压缩一个弹簧，压到顶点后释放，弹簧力推动一个重锤打击压电陶瓷柱产生一数千伏的高压火花，点燃可燃气体。
逆压电效应的应用主要用于压电蜂鸣器，例如音乐贺卡、门铃．寻呼机．移动电话机振铃等。
基本工作原理为：当在压电陶瓷片上施加一交变电场时，压电陶瓷片产生一相对应的形变即振动，当振动频率在音频波段内时就会发出对应的音响。
应用此特性配合机械谐振原理还大量用于制造谐振器、选频器、延迟线、滤波器等电子组件。
压电陶瓷变压器的基本构成则是将一压电蜂鸣器的应用与一压电点火器的应用组合起来，组成压电谐振子。
在蜂鸣器的一端（称为驱动端）输入一个与压电变压器谐振频率一致的正弦交变电压，压电谐振子产生振动，传导至点火器的一端（称为发电端），产生连续的正弦波电压，视乎于压电变压器的结构特征，可以是输入低电压、输出高电压（升压型），也可以是输入高电压、输出低电压（降压型）。
若在高频驱动电压上通过调制解调器加入低频调制，则可实现信号传输。
压电陶瓷变压器的基本结构形式如图（一）所示压电陶瓷是一种脆性材料，为保障其机械强度，压电变压器必须有一定的厚度，上述变压器的驱动电压就受到了相当的限制。
为此独石（多层）压电陶瓷变压器项目应运而生。
独石（多层）压电陶瓷变压器的基本结构形式如图（二）所示。
采用了独石（多层）结构后每一单层厚度和层数均可调，驱动电压不再受到限制，因而可以使压电变压器无论处在何种驱动电压下都能工作在最佳状态。
此项目的核心技术为亚微米低温烧结压电陶瓷材料、内电极共烧技术，极化处理技术及结构设计。
独石（多层）压电陶瓷变压器制备的工艺流程为工艺流程中所采用的通用及专用设备国内均可解决。
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压电陶瓷变压器是一种工作在音频或超音 频范围内的固体电子变压器。随着集成化技术的 高速发展，客观上要求压电陶瓷变压器的体积更 小， 升压比更高， 驱动电压更低， 这是单层压电陶 瓷变压器无法克服的问题，因而多层压电陶瓷变 压器应运而生。它具有体积小、 重量轻、 效率高等 特点，具有广泛的应用领域。多层压电变压器根 据其形状、电极和极化方向不同而有各种结构， 其中长条片型结构的 -./01 型压电变压器最为 常用。它结构简单， 制作容易， 有较高的升压比。 压电陶瓷变压器的特性不仅与它自身的尺 寸、所选取的陶瓷材料相关，还与它所连接的输 入输出负载有关。因此，建立一个良好的压电变 压器等效电路模型，不仅可以优化压电变压器的 设计，而且有利于分析压电变压器的各项性能。 压电变压器的理论等效电路模型源自于 23/.1， 此后，国内外众多学者和研究机构对压电变压器 的等效电路模型进行了大量的探讨和深入的研 究， 提出了许多不同的看法 4 ! , 5 6 。 在多层压电变压 器的理论等效电路模型的研究方面， 文献 4 ’7 $ 6 中给出了多层横向压电陶瓷变压器的电路等效 模型，但其多层部分的电路模型在电路上仍用单 条支路等效，不能很好的表现多层陶瓷片的电学 并联关系。文献 4 " 6 中给出了并联模型， 但其电路
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科研与探讨
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陶瓷变压器结构，它工作在半波谐振模式，由 " 部分组成。左半部分由陶瓷材料和电极材料交替 层叠烧制而成， 作为输入端， 称为驱动部分。该部 分沿厚度方向极化，且 " 相邻陶瓷层的极化方向 相反， 如图中箭头所示。这样， 驱动部分各层陶瓷 片为电学并联关系，可以获得较低的内阻抗，也 可适应不同的输入电压的要求。右半部分为单层 结构，它的最右端有烧渗的银电极，沿长度方向 极化， 作为输出端， 称为发电部分。当在输入端加 上正弦交变电压时，通过逆压电效应 # 压电片产 生沿长度方向的伸缩振动，将输入电能转换成机 械能；振动波传到发电部分，通过压电效应将机 械能转换为电能， 从而在输出端产生电压输出。
电路分析 从图 " 可导出电源输入和输出之间的等效
对于驱动部分，!/+ ，"0 分别是激励电源和输 入电阻，#1! 为输入单层静态电容，$!! ，$!" 分别 !"
关系。 4， 其方向如 5 分别是机械力和质点速度， 图中所示。电源输入 !/+ ， 6/+ 和机械矢量 4， 5之
科研与探讨 现代技术陶瓷
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仿真分析
以便观察压电变压器的特性。 采用 <I4JIB 软 ?DE， 件进行仿真，获得如下 K2FL/ 型多层压电陶瓷变 压器特性： （! ） 输入阻抗特性。如图 " 所示， 多层压电变 压器输入阻抗绝对值随频率的变化而变化，在谐 振频率时输入阻抗绝对值最小，反谐振频率时最 高。图中测得的谐振频率值为 #"$ & ?DE， 与理论 分析所得值相近。图 % 所示为输入阻抗的相位 差， 即输入电压与输入电流之间的相位关系
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式中 @ ’2，&2，+;分别是压电片发电部分的长度、 宽度和厚度，$1 ;是力阻抗，,< (33 是纵向 A 是声速， 耦合系数，333 ，033 是压电常数，.< 33 是开路柔性常 数， .5 #;是频率常数。 33 是短路柔性常数， $" !
图 ! 多层压电陶瓷变压器的等效电路图
! 白辰阳0 桂治轮0 李龙土 1 压电变压器的研究和开发进 展 1 压电与声光 0 !2230 #% 4 5 6 7 !8$ 9 !82 # 白辰阳 0 桂治轮 0 李龙土 1 多层压电变压器基本工作 特性的研究 1 压电与声光 0 !2230 #% 4 : 6 7 588 9 53! 5 黄以华 0 周康源 0 陈 昕， 等 1 压电变压器的原理及其 应用中的关键问题 1 声学技术0 #%%50 ## 4 ! 6 7 $3 9 :" " ;<=)(, >0 ;<=)(, >1 ?* ’@A’*B,@ @,(<C* )D E<,F),.,B-=<B B,=’G<B -=’*(D)=G,= D)= H<CH A).-’C, ()I=B, 1 JKKK L.-=’M ()*<B( >NGE)(<IG0 !232 4 ! 6 7 "8! 9 "8$ $ ;I O ;0 P< Q +0 RH’* ; P S0 ,- ’.1 ?* <GE=)A,@ G,-H)@ D)= ’*’.NF<*C -H, E,=D)=G’*B, )D GI.-<.’N,= E<,F),.,B-=<B -=’*(D)=G,=( 1 JKKK L.-=’()*<B( >NGE)M (<IG0 !222 4 # 6 7 2"5 9 2": : ;))*/IG >0 ;NI*CT,I* ?0 U,IT 9 V)I*C ;1 &)@,.<*C ’*@ ’*’.N(<( )D GI.-<.’N,= E<,F),.,B-=<B -=’*(D)=G,=1 &’M -,=<’.( RH,G<(-=N ’*@ WHN(<B(0 #%%$0 2# 7 :!: 9 :#% 图! 升压比特性 8 X’-F ; S1 >).<@ >-’-, &’C*,-<B ’*@ U<,.,B-=<B U,A<B,( 1 Y,Z V)=T7 O)H* S<.,N [ >)*( J*B0 !2$2
5 分的声速， !2 33 是介电常数，. !! 是短路柔顺系数，
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理论分析和设计
改进的等效电路 对图 ! 所示的陶瓷变压器进行理论分析。文
(3! 是横向机电耦合系数， 03! 是材料的压电常数， $ 是振动角频率， # 是频率常数， " 是陶瓷材料的 密度。 对于发电部分， "9 ， !*:7 分别是输出电阻和电 压，#1" 为输出静态电容，$"!，$"" 分别是发电部 分等效阻抗， & 是发电部分纵向振动的机电变换 系数， 它们的定义如下： （! 4 (" &;+（ ; !# ! 33 ） )) ） < # ,- 6 ".< ’; )) #= ’ = $1 1 ， $"! % $"" % /$1 7(+ /)/+ #= ’ = " #1" 6 $ # ,< & 1 + 1 033 & 1 + 1 333 &% 5 ’ 6 1 . ))#33 ’ 1 .5 ’ )) $1 ; 6 "&2 +;,< #6 -，
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从图中可看出，失谐时输入阻抗呈电容性，电流 0+1 超前于电压； 在谐振和反谐振时， 相位差为 ’， 输
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科研与探讨
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现代技术陶瓷
压电陶瓷变压器为例，提出了一种改进的多层压 电陶瓷变压器的等效电路模型。对于结构上呈电 学并联关系的多层陶瓷片在电路上用多条支路 并联表示，随后用矩阵表达式详细的推导了输入 输出电压的关系式，大大简化了理论计算过程。 &’-.’/ 仿真的结果得到了很好的输入阻抗特性 和升压比特性波形，由此证明该等效电路模型和 理论推导的正确性。实验结果还获得了此压电变 压器很高的升压比， 约为 !#%%。 此模型简单有效， 易于软件实现，对多层压电变压器外形尺寸的设 计和工作特性的分析具有较好的参考价值。 参考文献
科研与探讨 现代技术陶瓷
’(() 年第 * 期 + 总第 !(, 期 -
多层压电陶瓷变压器等效电路 模型及其特性研究
陈 丹 曾成碧
"!##"$ ） （四川大学电气信息学院，成都 摘
要 ! 提出了一种新颖的多层压电陶瓷变压器等效电路模型和分析方法。基于多层压电变压器陶
瓷片在结构上的电学并联关系，建立了其在电路上的并联表示模型，并把输出电量与输入电量之间的关 系用矩阵形式表达， 简化了分析过程， 为压电变压器的设计提供了一种通用而简单的分析方法。仿真结果 验证了该方法的有效性， 获得了良好的输入阻抗特性和升压比特性， 升压比约为 !%## 。 关键词 ! 多层压电陶瓷变压器； 等效电路模型； 输入阻抗特性； 升压比特性
$1 #’ # $!" 6 /$17(+ /)/+ #’ " $ ,5 -
$1 6 "82 ,5 -# # % !%
" %+ &03! % 33 &・(3!・ 5 .5 . ** ** 式中： 宽度 ’， &， + 分别表示单层陶瓷片的长度、
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和厚度，$1 表示输入端单层力阻抗，,5 - 是驱动部
" & 1 + 1 %2 )) (33 ’1 .5 )) 5 " .< 33% .33 > ! 4 ( 33 ?