陶瓷材料解析|压电陶瓷的应用

该点火器用圆柱体压电陶瓷元件制成。压电点火装置和压电元件安装示意图如图1所示。

▲图1 冲击式点火装置示意图

大多数压电陶瓷点火器采用两个压电元件组成，两个压电元件在机械上是串联，而在电路上是并联，这样输出的能量是单个压电元件的两倍。

压电陶瓷变压器的结构和种类很多，其结构如图2所示。图中(a)、(b)分别是横-纵向型和纵向型变压器，(a)的开路升压比可达数百倍；(b)仅几十倍；(c)由两个半径不同的圆瓷片粘合而成，小圆片沿厚度方向极化，大圆片沿径向方向极化，这种变压器的输出电流大；(d)为环形两端输出的变压器，其谐振频率低，输出电流较小；(e)所示变压器，驱动部分在中间，发电部分在两端，可以根据需要，调节其两发电端部分的长度，在两端获得不同的输出电压；(f)和(g)是弯曲振动的变压器，它们均由两块压电陶瓷片粘合而成，在变压器的驱动部分，两片的极化方向相同，发电部分，则(f)型是两片沿厚度方向极化，而(g)型两片沿长度方向极化，在输入电压相同时，(g)型要比(f)型的输出电压高。实际应用最多的是横-纵向型变压器。

▲图2 压电陶瓷变压器的基本结构

(a)(b)(c)(d)(e)—伸缩振动

(f)(g)—弯曲振动   (h)—剪切振动

表2列出压电陶瓷变压器与线绕变压器的特性比较。

▲表2 线绕变压器与压电陶瓷变压器的特性比较

压电陶瓷变压器用于各种电击器、雷达显示系统、静电复印、静电喷漆，以及示波管、夜视仪、光电倍增管等高压装置中。

多层复合结构压电陶瓷变压器的优点是：体积小，升压比高，驱动电压低，负载能力强，性能易调，适宜于制作小型便携式高压电源。这种变压器的结构及原理仍属前述横-纵向型压电陶瓷变压器。这种变压器的升压比可高达数千倍。

压电陶瓷蜂鸣器的结构有图3所示。

▲图3 压电陶瓷蜂鸣器的结构示意图

当在压电陶瓷发声元件上施加交变电压时，发声元件产生弯曲振动。

制作发声元件所用的金属材料，其杨氏模量应大而线膨胀系数应尽量接近压电陶瓷。表3列出几种适用的金属材料的性能。

图4示出四端滤波器的工作原理图。

▲图4 L节滤波器测量电路及其输出特性曲线

(a)—L节滤波器测量电路  1、2—压电振子

(b)—L节滤波器的输出特性曲线

滤波器由1和2两个压电陶瓷振子组成，串联振子1时，其输出特性如图4(b)中曲线(1)所示。并联振子2时，并联振子的阻抗很大，信号几乎全部加在负载上，负载得到的电压很大，其输出特性如图4(b) 中曲线(2)所示。如果适当选择串联和并联振子的谐振频率和反谐振频率，使f_r1=f_a2，则可得到如图5所示的衰耗特征曲线，也就是得到了一个对信号频率有选择性的带通滤波器。在f₀= f_r1=f_a2的频率附近的信号，衰减很小而通过，而远离f₀这个频率意外的信号，则衰减很大而被阻止通过。

▲图5 滤波器的衰耗特性曲线

由两端振子组成的四端滤波器，按其电路结构可以组成L型、T型、π型等多种型式，如图6所示。为了改善性能，通常组成多节结构滤波器，如图7所示。

▲图6 滤波器的电路结构

在电子信息技术中，特别是在通信、电视、雷达和电子对抗等领域，处理信号时往往需要进行时间上的延迟。如果用导线延迟，则需极长的导线，这在技术上显然是不合理的。由于声速比光速慢得多，在同样固体介质中约小5个数量级，因此设想把电信号先转换成声信号，再对声信号进行延迟处理，然后又把声信号变成电信号，这就是超声延迟线的基本原理与构想，对同一延迟时间，超声延迟装置的尺寸要比电磁波延迟装置小10⁵倍。而实现超声延迟的关键元件就是压电陶瓷换能器，通过它进行电-声和声-电转换。在实际使用中，为了进一步缩小体积，采用多次反射声径，而且一般用剪切振动产生横波，因为横波的波速比纵波小。图8为超声延迟线示意图。

压电陶瓷超声雾化器，无需对液体加热，就能直接把液体雾化成1~3μm的微粒，图9示出其雾化机理，当交变电信号施加于压电陶瓷片时，通过逆压电效应产生伸缩振动，压电振子的机械振动传给水，使水面产生隆起，并在隆起的周围发生空化作用。由空化作用所产生的冲击波以振子的振动频率反复振动，在水面上产生表面张力波，这种波的波头飞散并使水雾化，雾化的离子由内藏的风机送出。超声雾化器用的压电陶瓷换能器要求材料具有高机电耦合系数、高压电常数和低介质损耗。

▲图9 超声雾化器原理示意图

超声马达是压电陶瓷应用中一个引人注目的新领域。它是利用压电陶瓷的逆压电效应，直接把电能转换成机械能输出而无需通常的电磁线圈的新型电机。与普通电磁马达相比，它具有结构简单、起动快、转矩大、体积小，可以低转速运行而无需减速机构等特点。这种微电机在精密机械、仪器仪表、自动控制、机器人、磁头驱动、扫描电镜微动台等许多技术领域有广阔的应用前景。

压电陶瓷超声马达按其运动方式可分为：表面波型、驻波型、复合驱动型和线性微动型。

▲图10 表面波型超声马达工作原理

表面波型超声马达如图10所示，压电体和弹性体构成振动定子，摩擦材料和运动体构成转子。压电体在驱动电场作用下，一般只能得到驻波，但两个驻波在时间和空间相位差均为π/2时，则可合成一行波。图11给出压电体的驱动方式，电极的设置使信号源E₁、E₂所激发的驻波在空间上、时间上都有π/2的相位差。

▲图11 驱动方法

此外，压电陶瓷还可用作弯曲行波旋转马达以及“郎之万”驻波型旋转马达等，这种马达具有很高的转换效率，因而是一种极具潜在应用价值的马达。

弯曲行波旋转马达由一环形压电陶瓷片粘接在带凸齿的弹性体上，构成定子和驱动源。凸齿的作用是为了放大弹性体表面质点在运动方向的位移振幅，以使转子能获得更大的机械输出。当两个电信号（时间上相差π/2）被引入时，它们各自激发的波动的叠加形成弯曲行波，从而驱动转子旋转起来。

郎之万驻波马达是利用郎之万夹心复合纵振子作为马达的动力源，然后通过纵-扭变换器，在马达定子的表面激发-椭圆运动，使与其接触的转子依靠摩擦力旋转起来，由于弹性体表面质点的椭圆运动是依靠换能器的纵振动-驻波激发的，因此称其为驻波马达。这种马达具有高的转换效率，极具潜在应用价值。