正、逆压电效应的研究应用

R2
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R1 R2 单晶片换能表面示意图
其 他 应 用
压电聚合物水声换能器研究初期均瞄准军事应用,如用于水 下探测的大面积传感器阵列和监视系统等,随后应用领域逐 渐拓展到地球物理探测、声波测试设备等方面。为满足特定 要求而开发的各种原型水声器件,采用了不同类型和形状的 压电聚合物材料,如薄片、薄板、叠片、圆筒和同轴线等,以 充分发挥压电聚合物高弹性、低密度、易于制备为大和小不 同截面的元件、而且声阻抗与水数量级相同等特点,最后一 个特点使得由压电聚合物制备的水听器可以放置在被测声场 中,感知声场内的声压,且不致由于其自身存在使被测声场受 到扰动。而聚合物的高弹性则可减小水听器件内的瞬态振荡, 从而进一步增强压电聚合物水听器的性能。 压电聚合物换能器在生物医学传感器领域,尤其是超声成像 中,获得了最为成功的应用、PVDF薄膜优异的柔韧性和成型 性,使其易于应用到许多传感器产品中。
3、传感器上的应用
特点
压电式压力传感器
压电式压力传感 器是利用压电材料 所具有的压电效应 所制成的。压电式 压力传感器的基本 结构如右图所示。 由于压电材料的电 荷量是一定的,所 以在连接时要特别 注意,避免漏电。
压电式压力传 感器的优点是 具有自生信号, 输出信号大,较 高的频率响应, 体积小,结构坚 固。其缺点是 只能用于动能 测量。需要特 殊电缆,在受到 突然振动或过 大压力时,自我 恢复较慢。
压电式加速度传感器
压电元件一般由两块压电晶片组成。在 压电晶片的两个表面上镀有电极,并引出 引线。在压电晶片上放置一个质量块,质 量块一般采用比较大的金属钨或高比重 的合金制成。然后用一硬弹簧或螺栓,螺 帽对质量块预加载荷,整个组件装在一个 原基座的金属壳体中。为了隔离试件的 任何应变传送到压电元件上去,避免产生 假信号输出,所以一般要加厚基座或选用 由刚度较大的材料来制造,壳体和基座的 重量差不多占传感器重量的一半。
压电蜂鸣器
压电聚合物电声器件利用了聚合 物的横向压电效应,而换能器设计 则利用了聚合物压电双晶片或压 电单晶片在外电场驱动下的弯曲 振动,利用上述原理可生产电声器 件如麦克风、立体声耳机和高频 扬声器。目前对压电聚合物电声 器件的研究主要集中在利用压电 聚合物的特点,研制运用其它现行 技术难以实现的、而且具有特殊 电声功能的器件,如抗噪声电话、 宽带超声信号发射系统等。
超声波是人耳听见的一种机械波,频率在20KHZ以上。人耳能听到的声音, 振动频率范围只是20HZ－20000HZ。超声波因其波长较短、绕射小,而能 成为声波射线并定向传播,机器人采用超声传感器的目的是用来探测周围 物体的存在与测量物体的距离。一般用来探测周围环境中较大的物体,不 能测量距离小于30mm的物体。
4、在机器人接近觉中的应用（超声波传感器）
超 声 波 传 感 器 -----解 魔 方 机 器 人
机器人安装接近觉传感 器主要目的有以下三个： 其一,在接触对象物体之 前,获得必要的信息,为下 一步运动做好准备工作; 其二,探测机器人手和足 的运动空间中有无障碍 物。如发现有障碍,则及 时采取一定措施,避免发 生碰撞;其三,为获取对象 物体表面形状的大致信 息。
2、PbTiO3系压电材料 PbTiO3系压电陶瓷具最适合制作高频高温压电陶瓷元件。虽然存在 PbTiO3陶瓷烧成难、极化难、制作大尺寸产品难的问题,人们还是在 改性方面作了大量工作,改善其烧结性。抑制晶粒长大,从而得到各个 晶粒细小、各向异性的改性PbTiO3材料。近几年,改良PbTiO3材料报 道较多,在金属探伤、高频器件方面得到了广泛应用。目前该材料的 发展和应用开发仍是许多压电陶瓷工作者关心的课题。
测量时,将传感器基座与试件刚性地固定在一起。当传感器受振动力作用时,由于基座和 质量块的刚度相当大,而质量块的质量相对较小,可以认为质量块的惯性很小。因此质量 块经受到与基座相同的运动,并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样,质量块就 有一正比于加速度的应变力作用在压电晶片上。由于压电晶片具有压电效应,因此在它 的两个表面上就产生交变电荷（电压）,当加速度频率远低于传感器的固有频率时,传感 器给输出电压与作用力成正比,亦即与试件的加速度成正比,输出电量由传感器输出端引 出,输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测试出试件的加速度;如果在放大器中 加进适当的积分电路,就可以测试试件的振动速度或位移。
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的。
……
通讯 医疗
军事 电子信息
交通
具体地在以下几个功能方面，有 着广泛地应用：
举 几 个 栗 子 ：
医疗
军事
在各个 领域的 应用
光电信息
交通
生物领域
将生物陶瓷与无铅压电陶瓷复合成生物压 电陶瓷来实现生物仿生; 纳米发电机用氧 化锌纳米线将人体运动、肌肉收缩、体液 流动产生的机械能转变为电能, 供给纳米 器件来检测细胞的健康状况PVDF 薄膜用在 人体和动物器官的超声成像测量中。
交通领域
压电传感器可以区分差别很小的车辆，这一点使其 可与速度相机触发器在固定地点一同使用。通常都 安装2条传感器作为一组，有的国家也安装3条(增加 了校验)。当轮胎经过传感器时，根据从A到B，再从 B到C，最终从A到C的时间，计算出车速。然后对这 几个车速进行对比，它们都应在规定的范围内，通 常不超过2％。如果车辆超过了规定的时速，前轮经 过最后一个传感器时，立刻给车辆拍照，并计算出 车速。在第一张照片拍摄后的固定时间进行第二次 拍照，这样观测仪可以校验车速。即使在车流量很 高的情况下，也可得到各个车道的信息。传感器可 以交错安装，以便照相机有稳定的焦点，从而使得 照片清晰可读。
超声波传感器HC SR04传感器的接收端传感器的工作原理图
3.发展 现状
压电陶瓷-高聚物复合材料
PbTiO3系压电材料
细晶粒压电陶瓷 压电性特异的多 元单晶压电体
研究领域的先进材料有下列几种：
1、 细晶粒压电陶瓷 以往的压电陶瓷是由几微米至几十微米的多畴晶粒组成的多晶材料, 尺寸已不能满足需要了。减小粒径至亚微米级,可以改进材料的加工 性,可将基片做地更薄,可提高阵列频率,降低换能器阵列的损耗,提高器 件的机械强度,减小多层器件每层的厚度,从而降低驱动电压,这对提高 叠层变压器、制动器都是有益的。减小粒径有上述如此多的好处,但 同时也带来了降低压电效应的影响。为了克服这种影响,人们更改了 传统的掺杂工艺,使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到与粗晶粒压电陶 瓷相当的水平。现在制作细晶粒材料的成本已可与普通陶瓷竞争了。 近年来,人们用细晶粒压电陶瓷进行了切割研磨研究,并制作出了一些 高频换能器、微制动器及薄型蜂鸣器（瓷片20-30um厚）,证明了细晶 粒压电陶瓷的优越性。随着纳米技术的发展,细晶粒压电陶瓷材料研 究和应用开发仍是近期的热点。
4、压电性特异的多元单晶压电体 传统的压电陶瓷较其它类型的压电材料压电效应要强,从而得到了广 泛应用。但作为大应边,高能换能材料,传统压电陶瓷的压电效应仍不 能满足要求。于是近几年来,人们为了研究出具有更优异压电性的新 压电材料,做了大量工作,现已发现并研制出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3单 晶（A=Zn2+,Mg2+）。这类单晶的d33最高可达2600pc/N(压电陶瓷d33 最大为850pc/N),k33可高达0.95（压电陶瓷K33最高达0.8）,其应变 >1.7%,几乎比压电陶瓷应变高一个数量级。储能密度高达130J/kg,而 压电陶瓷储能密度在10J/kg以内。铁电压电学者们称这类材料的出现 是压电材料发展的又一次飞跃。现在美国、日本、俄罗斯和中国已开 始进行这类材料的生产工艺研究,它的批量生产的成功必将带来压电 材料应用的飞速发展。
3、压电陶瓷-高聚物复合材料 无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料,兼备无机和有 机压电材料的性能,并能产生两相都没有的特性。因此,可以根据需要, 综合二相材料的优点,制作良好性能的换能器和传感器。它的接收灵 敏度很高,比普通压电陶瓷更适合于水声换能器。在其它超声波换能 器和传感器方面,压电复合材料也有较大优势。国内学者对这个领域 也颇感兴趣,做了大量的工艺研究,并在复合材料的结构和性能方面做 了一些有益的基础研究工作,目前正致力于压电复合材料产品的开发。
组员：（测控1301 ）
正 、 逆 压 电 介 绍
正 、 逆 压 电 应 用 剖 析
正 、 逆 压 电 现 状 概 述
在 各 领 域 应 用
压电现象是100多年前居里兄弟研究 石英时发现的。那么,什么是压电效应呢 ？ 当你在点燃煤气灶或热水器时,就 有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一 次。生产厂家在这类压电点火装置内,藏 着一块压电陶瓷,当用户按下点火装置的 弹簧时,传动装置就把压力施加在压电陶 瓷上,使它产生很高的电压,进而将电能 引向燃气的出口放电,于是,燃气就被电 火花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫 做压电效应。
2、压电驱动器
原 理 应 用 压电驱动器利用逆压电效应,将电能转变为机械能或 机械运动,聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基 础,包括利用横向效应和纵向效应两种方式,基于聚合 物双晶片开展的驱动器应用研究包括显示器件控制、 微位移产生系统等。要使这些创造性设想获得实际 应用,还需要进行大量研究。电子束辐照P（VDF-TrFE） 共聚合物使该材料具备了产生大伸缩应变的能力,从 而为研制新型聚合物驱动器创造了有利条件。在潜 在国防应用前景的推动下,利用辐照改性共聚物制备 全高分子材料水声发射装置的研究,在美国军方的大 力支持下正在系统地进行之中。除此之外,利用辐照 改性共聚物的优异特性,研究开发其在医学超声、减 振降噪等领域应用,还需要进行大量的探索。
压 电 效 应
压电效应的原理是,如果对压电材料施加压力 ,它便会产生电 位差（称之为正压电效应） ,反之施加电压 , 则产生机械应力（称 为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动,则产生的就是高频电 流。而高频电信号加在压电陶瓷上时,则产生高频声信号（机械震 动） , 这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说 , 压电陶瓷具 有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能 ,这种相互对应的关系 确实非常有意思。 压电材料可以因机械变形产生电场,也可以因电场作用产生机 械变形,这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了 广泛的应用。例如,压电材料已被用来制作智能结构,此类结构除 具有自承载能力外,还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能 ,在未来的飞行器设计中占有重要的地位
军事领域
压电材料能在水中发生、接受声波, 用于 水下探测、地球物理探测、声波测试等 方面; PZT 薄膜因其热释电效应而应用在 夜视装置、红外探测器上; 利用压电陶瓷 的智能功能对飞机、潜艇的噪声主动控 制;压电复合材料用在压力传感器检测机 身外情况和卫星遥感探测装置中。
光电信息领域
压电材料具有电光效应、非线性 光学效应、光折变效应等光电特 性, 在光电方面的应用有声表面 滤波器、光快门、光波导调制器、 光显示和光存储等; 利 用压电材料的压电效应和热释电 效应可以对外界产生的信号进行 处理、传输、储存, 用在机器人 和其它智能结构中, 用PVDF 压电 材料制成触觉传感器已能感知温 度、压力及识别边角棱等几何特 征。
生活
压电材料的应 用领域可以粗略分 为两大类： 【1】振动能和超 声振动能-电能换 能器应用,包括电声 换能器,水声换能器 和超声换能器等 【2】其它传感器 和驱动器应用
其他
工业
具体来说ห้องสมุดไป่ตู้就是：
换能器
压电驱 动器
传感器
机器人 接近视 觉
1、换能器
压电换能器是指利用压电材料 的正逆压电效应制成的换能器， 换能器顾名思义就是指可以进 行能量转换的器件。通常我们 所说的为电声换能器，能够发 射声波的换能器叫发射器；用 来接收声波的换能器叫接收器。 例如压电蜂鸣器就属于电-声换 能器，通常可以用作报警器等。