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| 文章 |
| 壓電效應(yīng)，是材料中一種機(jī)械能與電能互換的現(xiàn)象，此現(xiàn)象zui早是1880年由皮埃爾•居里（PierreCurie）和雅克•居里（JacquesCurie）兄弟發(fā)現(xiàn)。壓電材料可以因機(jī)械變形產(chǎn)生電場，也可以因電場作用產(chǎn)生機(jī)械變形，這種固有的機(jī)-電耦合效應(yīng)使得壓電材料 在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，壓電材料已被用來制作智能結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)除具有自承載能力外，還具有自診斷性、自適應(yīng)性和自修復(fù)性等功能，在未來的飛行器設(shè)計中占有重要的地位。 壓電效應(yīng)-定義和分類 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)，是某些特殊的材料中機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。根據(jù)轉(zhuǎn)化方向的不同，壓電效應(yīng)可以分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)兩種。 某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。 壓電效應(yīng)-歷史 1880年，居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)電氣石的壓電效應(yīng)，從此開始了壓電學(xué)的歷史。 居里兄弟（后二）1881年，居里兄弟實驗驗證了逆壓電效應(yīng)，給出石英相同的正逆壓電常數(shù)。 1894年，Voigt指出，僅無對稱中心的二十種點群的晶體才有可能具有壓電效應(yīng)，石英是壓電晶體的一種代表，它被取得應(yīng)用。 *次世界大戰(zhàn)，居里的繼承人郎之萬，zui先利用石英的壓電效應(yīng)，制成了水下超聲探測器，用于探測潛水艇，從而揭開了壓電應(yīng)用史篇章。 壓電材料及其應(yīng)用取得劃時代的進(jìn)展應(yīng)歸咎于第二次世界大戰(zhàn)中發(fā)現(xiàn)了BaTiO3陶瓷，1947年，美國Roberts在BaTiO3陶瓷上，施加高壓進(jìn)行極化處理，獲得了壓電陶瓷的電壓性。隨后，日本積極開展利用BaTiO3壓電陶瓷制作*、高頻換能器、壓力傳感器、濾波器、諧振器等各種壓電器件的應(yīng)用研究，這種研究一直進(jìn)行到50年代中期。 1955年，美國B.Jaffe等人發(fā)現(xiàn)了比BaTiO3壓電性更*的PZT壓電陶瓷，促使壓電器件的應(yīng)用研究又大大地向前推進(jìn)了一大步。BaTiO3時代難于實用化的一些用途，特別是壓電陶瓷濾波器和諧振器，隨著PZT的問世，而迅速地實用化，應(yīng)用聲表面波（SAW）的濾波器、延遲線和振蕩器等SAW器件，在七十年代后期也取得了實用化。 上世紀(jì)70年代初期，人們在鋯鈦酸鉛材料二元系配方Pb（ZrTi）O3大基礎(chǔ)上又研究了加入第三元改性的壓電陶瓷三元系配方，如鈮鎂酸鉛系為Pb（Mg1/3Nb2/3）（ZrTi）O3，可廣泛用于拾音器、微音器、濾波器、變壓器、超聲延遲線及引燃引爆方面。如鈮鋅酸鉛系Pb（Zn1/3Nb2/3）（ZrTi）O3，主要用來制造性能優(yōu)良的陶瓷濾波器及機(jī)械濾波器的換能器。 近年來，人們又在三元系壓電陶瓷配方基礎(chǔ)上又研究了四元系壓電陶瓷材料，如:Pb（Ni1/3Nb2/3）（Zn1/3Nb2/3）（ZrTi）O3，Pb（Mn1/2Ni1/2）（Mn1/2Zr1/2）（ZrTi）O3等，可用來制造濾波器和受話器等。 壓電效應(yīng)-應(yīng)用 利用壓電效應(yīng)可以做出各種各樣的壓電材料，壓電材料的應(yīng)用領(lǐng)域可以粗略分為兩大類：即振動能和超聲振動能-電能換能器應(yīng)用，包括電聲換能器，水聲換能器和*等，以及其它傳感器和驅(qū)動器應(yīng)用。 1、換能器 換能器是將機(jī)械振動轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柣蛟陔妶鲵?qū)動下產(chǎn)生機(jī)械振動的器件。 換能器壓電聚合物電聲器件利用了聚合物的橫向壓電效應(yīng)，而換能器設(shè)計則利用了聚合物壓電雙晶片或壓電單晶片在外電場驅(qū)動下的彎曲振動，利用上述原理可生產(chǎn)電聲器件如麥克風(fēng)、立體聲耳機(jī)和高頻揚聲器。目前對壓電聚合物電聲器件的研究主要集中在利用壓電聚合物的特點，研制運用其它現(xiàn)行技術(shù)難以實現(xiàn)的、而且具有特殊電聲功能的器件，如抗噪聲、寬帶超聲信號發(fā)射系統(tǒng)等。 壓電聚合物水聲換能器研究初期均瞄準(zhǔn)軍事應(yīng)用，如用于水下探測的大面積傳感器陣列和監(jiān)視系統(tǒng)等，隨后應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓展到地球物理探測、聲波測試設(shè)備等方面。為滿足特定要求而開發(fā)的各種原型水聲器件，采用了不同類型和形狀的壓電聚合物材料，如薄片、薄板、疊片、圓筒和同軸線等，以充分發(fā)揮壓電聚合物高彈性、低密度、易于制備為大和小不同截面的元件、而且聲阻抗與水?dāng)?shù)量級相同等特點，zui后一個特點使得由壓電聚合物制備的水聽器可以放置在被測聲場中，感知聲場內(nèi)的聲壓，且不致由于其自身存在使被測聲場受到擾動。而聚合物的高彈性則可減小水聽器件內(nèi)的瞬態(tài)振蕩，從而進(jìn)一步增強(qiáng)壓電聚合物水聽器的性能。 壓電聚合物換能器在生物醫(yī)學(xué)傳感器領(lǐng)域，尤其是超聲成像中，獲得了zui為成功的應(yīng)用、PVDF薄膜優(yōu)異的柔韌性和成型性，使其易于應(yīng)用到許多傳感器產(chǎn)品中。 2、壓電驅(qū)動器 壓電驅(qū)動器壓電驅(qū)動器利用逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能或機(jī)械運動，聚合物驅(qū)動器主要以聚合物雙晶片作為基礎(chǔ)，包括利用橫向效應(yīng)和縱向效應(yīng)兩種方式，基于聚合物雙晶片開展的驅(qū)動器應(yīng)用研究包括顯示器件控制、微位移產(chǎn)生系統(tǒng)等。要使這些創(chuàng)造性設(shè)想獲得實際應(yīng)用，還需要進(jìn)行大量研究。電子束輻照P（VDF-TrFE）共聚合物使該材料具備了產(chǎn)生大伸縮應(yīng)變的能力，從而為研制新型聚合物驅(qū)動器創(chuàng)造了有利條件。在潛在國防應(yīng)用前景的推動下，利用輻照改性共聚物制備全高分子材料水聲發(fā)射裝置的研究，在美國軍方的大力支持下正在系統(tǒng)地進(jìn)行之中。除此之外，利用輻照改性共聚物的優(yōu)異特性，研究開發(fā)其在醫(yī)學(xué)超聲、減振降噪等領(lǐng)域應(yīng)用，還需要進(jìn)行大量的探索。 3、傳感器上的應(yīng)用 壓電式壓力傳感器 壓電式壓力傳感器是利用壓電材料所具有的壓電效應(yīng)所制成的。壓電式壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示。由于壓電材料的電荷量是一定的，所以在連接時要特別注意，避免漏電。 壓電式壓力傳感器的優(yōu)點是具有自生信號，輸出信號大，較高的頻率響應(yīng)，體積小，結(jié)構(gòu)堅固。其缺點是只能用于動能測量。需要特殊電纜，在受到突然振動或過大壓力時，自我恢復(fù)較慢。 壓電式加速度傳感器 壓電元件一般由兩塊壓電晶片組成。在壓電晶片的兩個表面上鍍有電極，并引出引線。在壓電晶片上放置一個質(zhì)量塊，質(zhì)量塊一般采用比較大的金屬鎢或高比重的合金制成。然后用一硬彈簧或螺栓，螺帽對質(zhì)量塊預(yù)加載荷，整個組件裝在一個原基座的金屬殼體中。為了隔離試件的任何應(yīng)變傳送到壓電元件上去，避免產(chǎn)生假信號輸出，所以一般要加厚基座或選用由剛度較大的材料來制造，殼體和基座的重量差不多占傳感器重量的一半。 測量時，將傳感器基座與試件剛性地固定在一起。當(dāng)傳感器受振動力作用時，由于基座和質(zhì)量塊的剛度相當(dāng)大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對較小，可以認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小。因此質(zhì)量塊經(jīng)受到與基座相同的運動，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的應(yīng)變力作用在壓電晶片上。由于壓電晶片具有壓電效應(yīng)，因此在它的兩個表面上就產(chǎn)生交變電荷（電壓），當(dāng)加速度頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時，傳感器給輸出電壓與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比，輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測量儀器測試出試件的加速度；如果在放大器中加進(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路，就可以測試試件的振動速度或位移。 4、在機(jī)器人接近覺中的應(yīng)用（超聲波傳感器） 超聲波傳感器機(jī)器人安裝接近覺傳感器主要目的有以下三個：其一，在接觸對象物體之前，獲得必要的信息，為下一步運動做好準(zhǔn)備工作；其二，探測機(jī)器人手和足的運動空間中有無障礙物。如發(fā)現(xiàn)有障礙，則及時采取一定措施，避免發(fā)生碰撞；其三，為獲取對象物體表面形狀的大致信息。 超聲波是人耳聽見的一種機(jī)械波，頻率在20KHZ以上。人耳能聽到的聲音，振動頻率范圍只是20HZ－20000HZ。超聲波因其波長較短、繞射小，而能成為聲波射線并定向傳播，機(jī)器人采用超聲傳感器的目的是用來探測周圍物體的存在與測量物體的距離。一般用來探測周圍環(huán)境中較大的物體，不能測量距離小于30mm的物體。 超聲傳感器包括超聲發(fā)射器、超聲接受器、定時電路和控制電路四個主要部分。它的工作原理大致是這樣的：首先由超聲發(fā)射器向被測物體方向發(fā)射脈沖式的超聲波。發(fā)射器發(fā)出一連串超聲波后即自行關(guān)閉，停止發(fā)射。同時超聲接受器開始檢測回聲信號，定時電路也開始計時。當(dāng)超聲波遇到物體后，就被反射回來。等到超聲接受器收到回聲信號后，定時電路停止計時。此時定時電路所記錄的時間，是從發(fā)射超聲波開始到收到回聲波信號的傳播時間。利用傳播時間值，可以換算出被測物體到超聲傳感器之間的距離。這個換算的公式很簡單，即聲波傳播時間的一半與聲波在介質(zhì)中傳播速度的乘積。超聲傳感器整個工作過程都是在控制電路控制下順序進(jìn)行的。 壓電材料除了以上用途外還有其它相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。如鑒頻器、壓電震蕩器、變壓器、濾波器等。 壓電效應(yīng)-常見的壓電材料 明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料叫壓電材料。一般壓電材料有陶瓷類的鈦酸鋇（PZT）、單晶類的石英（水晶）、電氣石、羅德鹽、鉭酸鹽、鈮酸鹽等，或是薄膜類的氧化鋅（ZnO）。 常用的壓電材料有：壓電單晶體，如石英、酒石酸鉀鈉等；多晶壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛等，又稱為壓電陶瓷。此外，聚偏二氟乙烯（PVDF）作為一種新型的高分子物性型傳感材料得到廣泛的應(yīng)用。 |
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