壓電陶瓷片的原理及特性

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1、壓電陶瓷片的原理及特性壓電效應(yīng)具有可逆性：若在壓電陶瓷片上施以音頻電壓，就能產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，發(fā)出聲響；反之，壓電陶瓷片受到機(jī)械振動(dòng)(或壓力)時(shí)，片上就產(chǎn)生一定數(shù)量的電荷Q，從電極上可輸出電壓信號(hào)?！　∧壳氨容^常見的鍺鈦酸鉛壓電陶瓷片(PZT)，是用鋯、鈦、鉛的氧化物配制后燒結(jié)而成的。鑒于人耳對(duì)頻率約為3kHz的音響最敏感，所以通常將壓電陶瓷片的諧振頻率f0設(shè)計(jì)在3kHz左右?？紤]到在低頻下工作，僅用一片壓電陶瓷片難以滿足頻率要求，—般采用雙膜片結(jié)構(gòu)，其外形與符號(hào)如圖1所示。它是把直徑為d的壓電陶瓷片與直徑為D的金屬振動(dòng)片復(fù)合而成的。D一般為15~40mm，復(fù)合振動(dòng)片的總厚度為h?！　‘?dāng)

2、壓電材料—定時(shí)，諧振頻率與h成正比，與(D/2)2成反比。諧振頻率fo與復(fù)合振動(dòng)片的直徑D呈指數(shù)關(guān)系，如圖2(a)所示。顯然D愈大，低頻特性愈好。壓電陶瓷片作傳聲器使用時(shí)，工作頻率約為300Hz~5kHz。壓電陶瓷片的阻抗Z取決于d/D之比，由圖2(b)可見，阻抗隨d/D比值的增大而降低。>壓電陶瓷片的驅(qū)動(dòng)　　壓電陶瓷片有兩種驅(qū)動(dòng)方式。第一種是自激振蕩式驅(qū)動(dòng)。其電路原理是通過晶體管放大器提供正反饋，構(gòu)成壓電晶體振蕩器，使壓電陶瓷片工作在諧振頻率fo上而發(fā)聲。此時(shí)壓電陶瓷片呈低阻抗，輸出音量受輸入電流控制，因此亦稱為電流驅(qū)動(dòng)型?！　〉诙N為他激振蕩式驅(qū)動(dòng)，利用方波(或短形波)振蕩器來激

3、勵(lì)發(fā)聲。這時(shí)壓電陶瓷片一般工作于fo之外的頻率上，因此阻抗較高，輸入電流較小，它居于電壓驅(qū)動(dòng)式。其優(yōu)點(diǎn)是音域較寬。音色較好。>壓電陶瓷片的測(cè)試方法　　1、電壓測(cè)試法　　在業(yè)余條件下，可以用萬用表的電壓擋來檢查壓電陶瓷片的質(zhì)量好壞，具體方法是：將萬用表?yè)苤?.5V直流電壓檔，左手拇指與食指輕輕握住壓電陶瓷片的兩面，右手持兩支表筆，紅表筆接金屬片，黑表筆橫放在陶瓷表面上，如圖1所示。然后左手拇指與食指稍用力壓緊一下，隨即放松，壓電陶瓷片上就先后產(chǎn)生兩個(gè)極性相反的電壓倍號(hào)，使指針先是向右捏一下，接著返回零位，又向左擺一下。擺動(dòng)幅度約為0.1~0.15V。在壓力相同的情況下，擺幅愈大，壓電陶

4、瓷片的靈敏度愈高。若表針不動(dòng)，說明壓電陶瓷片內(nèi)部漏電或者破損。　　交換兩支表筆位置后重新試驗(yàn)，指針擺動(dòng)順序應(yīng)為：向左擺->回零->向右擺->回零?！　≡谝馐马?xiàng)：　?、偃绻媒涣麟妷簷n，就觀察不到指針擺動(dòng)情況，這是由于所產(chǎn)生的電壓信號(hào)變化較緩慢的緣故?！　、跈z查之前，首先用R×1k或R×10k檔測(cè)量絕緣電阻，應(yīng)為無窮大，否則證明漏電，壓電陶瓷片受強(qiáng)烈震動(dòng)而出現(xiàn)裂紋后，可用電烙鐵在裂紋處薄薄地徐上一層焊錫，—般能繼續(xù)使用?！　、蹤z查時(shí)用力不宜過大、過猛，更不得彎折壓電陶瓷片；勿使表筆頭劃傷陶瓷片，以免損壞片子?！　、苋粼趬弘娞掌弦恢奔雍愣ǖ膲毫?，由于電荷不斷泄漏，指針擺動(dòng)一下就會(huì)慢慢地

5、回零?！　?．電流測(cè)試法　　利用萬用表50uA擋，也可以檢查壓電陶瓷片的好壞。電路如圖2所示。將紅表筆接金屬片，黑表筆接壓電陶瓷表面。兩手沿軸向施以作用力+F、-F時(shí)，表針應(yīng)向右擺幾個(gè)微安；再松開手時(shí)，表針又向左擺幾個(gè)微安；設(shè)施力與松力時(shí)間均為dt，則通過微安表的電流平均值分別為：I＝＋Q/△t，I2＝－Q/△t。　　3．借助反相器測(cè)試法　　前面介紹過壓電陶瓷片有自激振蕩式驅(qū)動(dòng)和他激振蕩式驅(qū)動(dòng)兩種方式，下面是根據(jù)第二種方式而設(shè)計(jì)的檢查壓電陶瓷片的電路圖見圖3現(xiàn)采用一片CC4069六反相器，由反相器F1和F2構(gòu)成兩級(jí)反相式阻容振蕩器，F(xiàn)3起隔離作用。接上壓電陶瓷片后，即組成完整的蜂鳴器

6、(BZ)電路。圖中的數(shù)字表示CC4069的管腳號(hào)。實(shí)選R1為470kΩ可調(diào)電阻，C＝470pF，F(xiàn)R2＝1MΩ。代入式（f0=0.455/(R1C1)）中求出輸出方波頻率f0約為2kHz。電源電壓VDD選6~9V。　　閉合開關(guān)S時(shí)，被測(cè)壓電陶瓷片應(yīng)能發(fā)聲。然后逐漸調(diào)整R1，當(dāng)R1↑時(shí)，fo↑，音調(diào)升高；當(dāng)R1↓時(shí)，fo↓，音調(diào)降低?！　∮眠@種方法還可測(cè)量壓電陶瓷片的頻率特性。>壓電陶瓷片的應(yīng)用　　壓電陶瓷片主要用于壓電揚(yáng)聲器、傳聲器、超聲延遲線、測(cè)量振動(dòng)和測(cè)量壓力的傳感器、電話中的送受話器等方面作機(jī)械能(聲能)轉(zhuǎn)換成電能，或在低功率下由電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的換能元件；也可應(yīng)用于超聲波清洗

7、焊接、探傷、超聲診斷、超聲醫(yī)療、水聲發(fā)射、引燃、引爆等作高壓強(qiáng)功率時(shí)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的換能元件。