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石家庄学院毕业设计（论文）
5压电效应的应用
压电效应在当今电子科学技术领域具有广泛的应用，总的来说，压电效应归属于电磁效应的一种，类似于极化效应。在日常生活中，压电效应除了在材料领域有独树一帜的应用角色，在一些常用的器件中也作为核心部件的工作机理。随着压电技术的不断发展，压电效应在传感器上的应用也为我们带来了更多的方便。
5.1压电效应与电磁效应应用领域的相似性
下图阐释两种压电效应的关系与电磁效应的关系
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应变S 电位移 D 弹性系数 正压电效应 逆压电效应 应力T 介电系数 电场强度 E 磁感应 强度B 磁导率 磁电效应 磁场强 度H 电位移 D 介电系数 电磁效应 电场强 度E 压电效应与电磁效应均具有广泛的应用。1831年法拉第发现电磁效应以后,电磁效应马上被用来发明了发电机、电动机、变压器等,极大地改变了工业生产的面貌。同样,自从居里兄弟在石英晶体上发现了压电效应以来,近几十年压电材料也被用来制作新型微电机、微变压器等。在同一应用领域内,使用压电效应与电磁效应各有优势。例如电—机转换器作为电液控制阀的前置元件,其性质对电液控制阀的性能有直
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压电效应的原理及应用
接的影响。实验证明,粘接式多层压电晶体型电-机转换器的静态特性优于电磁型电-机转换器,能够很好满足电-机转换器的要求,可广泛用于电液控制技术领域。压电点火系统是利用压电陶瓷的压电效应,将机械能转换为电能,在放电间隙产生电火花引燃燃烧物的装置。与电磁点火系统相比,它不用电池、电容、电感线圈等电子元件,节省能源,结构简单,安全可靠,因而广泛应用在日常生活、工业生产及军事等领域。
压电执行器方面,微位移、微力的实现既可以通过电磁驱动,也可以通过压电陶瓷驱动,而压电陶瓷驱动较之电磁驱动具有不发热、分辨率高等优点。在自感知执行器方面,利用电磁耦合可以制成电磁式自感知执行器。1996年德国科学家Guckel.H等采用恒定激励电流,研制出电磁式线性自感知执行器,而利用机电耦合可以研制出各种压电自感知执行器。在通讯领域中,使用电磁波可以在空气中通讯,但是电磁波在水中的传播损耗很大,传不多远就会被水吸收掉。而声波在水中传播损耗很小,因此,在水中通讯和探测主要利用声波来传递信息,即利用逆压电效应向水中发射声波,再通过压电效应接收从水中返回的声波。
从压电效应与电磁效应的数学模型、物理模型及应用领域等各个角度来分析压电效应与电磁效应的相似性。
5.2压电效应在日常生活中的应用
我们把根据压电效应制作出的材料叫压电陶瓷,利用它可以制作石英谐振器,陶瓷滤波器、陷波器、鉴频器,拾音器、发声器,水声换能器,鱼群探测器,压电陶瓷变压器,陶瓷压力器,加速度计,超声波发声器等器件,还可以作为电子打火机、煤气点火栓、导弹与鱼雷爆炸时的电源。下面着重介绍家用电器中常用的几种压电器件。 （1）石英晶体谐振器。在石英晶体上加一交变电压,就会产生机械变形振动,同机械变形振动又会产生交变的电场。由于石英晶片具有固有的振动频率(称为石英晶体的谐振频率)，因此,当外加交变电压的频率等于石英晶片的谐振频率时,这种振动就会突然增加,而在电路中反映出谐振特性。这种现象称为压电谐振效应。根据压电谐振效应可以制作出石英谐振器,这种谐振器因具有极高的品质因数和极高的稳定性,已经被应用于对讲机(型号有JA44等)、电子手表(型号有JU1等)、电视机(型号有JA22等)、电子仪器等产品中作压控振荡器使用。用石英谐振器来控制振荡频率的振荡器称为晶体振荡器,这种振荡器的频率稳定度可达到10-6数量级。
（2）陶瓷滤波器、陷波器。陶瓷滤波器、陷波器一般由一个或多个压电陶瓷振子为主而组成,而压电振子实际上就是一块夹在两个电极之间的压电晶片。陶瓷滤波器、陷波器是对频率非常敏感的电路元件。它们的特点是:体积小、成本低、无调整和可靠性高等。陶瓷滤波器、陷波器已应用于收录机(型号有465K系列、LT-W22-10.7MHz等)、电视机(型号有LTB6.5MHz滤波器、XT4.43M陷波器、声表面波滤波器等)等家
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电产品中。
（3）压电晶体拾音、发声器件。晶体话筒、电唱头是拾音器件,它们是利用晶体的压电效应制作出来的。对于话筒,声波使话筒内的压电晶体振动,由于压电效应,表面上的两个电极便出现微弱的音频电压。对于晶体电唱头(又称晶体拾音器),当唱片转动时,唱片中的音纹起伏通过唱针传到唱头中的压电晶体,其电极便出现音频电压。即利用晶体的压电效应可以把音频信号变成音频电信号。而晶体扬声器(晶体喇叭)和晶体耳机则是压电发声器件。它们是利用压电晶体的逆效应制作出来的,即把变化的电信号还原为晶体的机械振动。晶体再把这种振动传给一块金属薄片,发出声音。
5.3压电式传感器的介绍
（1）压电式测力传感器。
压电式测力传感器结构如下图所示：
F
绝缘套
石英晶片
压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力-电转换的传感器，在拉、压场合，通常较多采用双片或多片石英晶体作为压电元件。其刚度大，测量范围宽，线性及稳定性高，动态特性好。当采用大时间常数的电荷放大器时，可测量准静态力。按测力状态分，有单向、双向和三向传感器，它们在结构上基本一样。如上图所示为压电式单向测力传感器的结构图。传感器用于机床动态切削力的测量。绝缘套用来绝缘和定位。基座内外底面对其中心线的垂直度、上盖及晶片、电极的上下底面的平行度与表面光洁度都有极严格的要求，否则会使横向灵敏度增加或使片子因应力集中而过早破碎。为提高绝缘阻抗，传感器装配前要经过多次净化（包括超声波清洗），然后在超净工作环境下进行装配，加盖之后用电子束封焊。
压电式压力传感器的结构类型很多，但它们的基本原理与结构仍与压电式加速度和力传感器大同小异。突出的不同点是，它必须通过弹性膜、盒等，把压力收集、转换成力，再传递给压电元件。为保证静态特性及其稳定性，通常多采用石英晶体作为压电元件。
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上盖
基座 压电效应的原理及应用
（2）压电式加速传感器。
压电式加速传感器结构如下图所示：
外壳
质量块
压电元件
如上图所示为压缩式压电加速度传感器的结构原理图，压电元件一般由两片压电片组成。在压电片的两个表面上镀银层，并在银层上焊接输出引线，或在两个压电片之间夹一片金属，引线就焊接在金属片上，输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。在压电片上放置一个比重较大的质量块，然后用一硬弹簧或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。整个组件装在一个厚基座的金属壳体中，为了隔离试件的任何应变传递到压电元件上去，避免产生假信号输出，所以一般要加厚基座或选用刚度较大的材料来制造。测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器感受到振动时，由于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小，因此质量块感受到与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生了交变电荷（电压），当振动频率远低于传感器固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，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器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振动加速度或位移。
预压弹簧
螺栓
基座
5.4压电式传感电路
当压电晶片受力时，在晶片的两个表面上分别聚集等量的正、负电荷，因此，晶片的两表面相当于一个电容的两个极板，两极板间的物质等效于一种介质，于是，
??S?S压电晶片相当于一只平行板介质电容器，如下图所示，其电容量为Ca?r0?，
dd其中S为极板面积，?r为压电材料的相对介电常数，?0为真空介电常数，d为压电元件的厚度。
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