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压电器件基础知识解析

  利用材料的压电效应(见石英晶体)制成的器件。大多数压电器件的结构由电极、压电片、支架和外壳组成。其中压电片可以是圆片、长条片、棒、圆柱等形状。压电器件的应用范围很广。当电信号频率接近压电片的固有频率时,压电器件靠逆压电效应产生机械谐振,谐振频率主要决定于压电片的尺寸和形状。

  如果频率温度特性也满足要求,即可用来进行稳频、选频和计时。利用这种谐振来产生声波,就构成超声换能器。利用谐振频率随温度或压力而变化的特点,还可制成精度很高的测温计和测力计。在非谐振状态下,利用它的逆压电效应可制成微位移器,利用它的正压电效应又可制成压电引燃和引爆器件。

  压电器件的品种繁多,按其用途可分成表1所列的 7类。换变压器油按其使用的材料则可分成压电晶体器件、压电陶瓷器件。压电晶体器件包括石英谐振器、晶体振荡器和晶体滤波器。

  以一个或多个压电陶瓷振子(被覆电极的陶瓷片)通过金属支架固定或用引线焊接,再封入外壳即构成陶瓷滤波器。例如将两个陶瓷振子按图1a作L型连接,可组成双振子陶瓷滤波器。调节串联振子1的谐振频率fr1,使之等于并联振子2的反谐振频率fa2,于是滤波器的衰耗特性就如图1b。当信号频率位于fr1(=fa2)附近时,滤波器导通;当信号频率远离fr1时,滤波器阻断。实际上双振子组成的滤波器特性较差,如果将这个结构看作一节,并组成多节滤波器,则可得到满意的滤波特性。

  陶瓷滤波器的分类如表2。换变压器油陶瓷材料的机电耦合系数大,适于作宽带滤波器。其相对带宽约为0.3%~20%,阻带衰减可达60分贝以上。

  根据陶瓷片的压电效应和谐振特性来实现电压变换的器件。陶瓷变压器有多种结构形式,但常用的为横向-纵向变压器(图2)。陶瓷片左半部分上下面被覆电极,并沿厚度方向极化,作为输入端,称驱动部分;右半部分的端面被覆电极,并沿长度方向极化,作为输出端,称发电部分。与一般线绕变压器相比,陶瓷变压器的最大特点是适宜在高电压、小电流下应用,故可作为雷达指示管和电视机显像管的高压电源,以及电子复印机、静电集尘机和红外变像管等的高压电源。

  又称压电角速度传感器,是一种新型的导航仪器,多采用振梁结构形式。它有一根横截面近似方形的金属梁,在梁上粘贴四个压电换能器(图 3)。金属梁用恒弹性系数合金材料制成,换能器用高机电耦合系数的陶瓷材料制成。在驱动换能器上输入电信号,借助逆压电效应使金属梁产生以yz平面为中性面的弯曲振动。梁内任意点的速度为vx。若梁同时又以角速度ωz绕z 转动,则梁内各点将受到科氏的作用,由此引起以xz为中性面的弯曲振动。这个振动通过正压电效应使读出换能器输出电信号,信号的幅度与角速度ωz成正比,故可用来确定角速度ωz的大小。在梁的另两个面上还粘贴有反馈换能器和阻尼换能器,它们的作用是保持金属的振幅稳定和输出动态特性良好。压电陀螺不存在高速转动部分,因而具有功耗小、寿命长、动态范围宽、体积小和可靠性高等优点。

  压电陶瓷器件还有许多种类,应用于各个领域。利用陶瓷的高机电耦合效应、高介电常数和高Q值等特点而设计的压电陶瓷测量器件,换变压器油能方便地测量以往用其他方法难以测量的参数。例如,可以测量铁道枕木所受的压力、油断路器内的压力、冲击波管内的压力、煤矿坑道支架所受的压力等,也可以测量像继电器的触点和人的脉搏等微小压力。它既能测量动态力也能测量静态力,而且测量范围和精度都比较高。在陶瓷片上附加质量负载,就可制成加速度计。这种加速度计再附以积分电路就可构成振动计,用它可以测量地壳和建筑物的低频振动。在陶瓷圆管上粘接喇叭型金属块,使其振幅增大,可用来测定金属的磨损和进行疲劳试验以及测量薄膜的粘接强度等。此外,压电陶瓷超声换能器在水声和医疗等领域中的应用也日益增多。

  压电器件的发展方向是:①改进压电器件的温度稳定性;②改善蜂鸣器和送受话器的音质,以适应计算机、自动售货机、电子翻译机等设备的人-机对话的需要;③探索模拟生物功能的高分子压电器件。

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